Динамика змееподобных и вибрационных роботов

• Автор: Сорокин, Константин Сергеевич
• Шифр специальности: 01.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Исследование динамики трёхзвенного робота
1.1 Механическая модель
1.2 Принцип движения, основанный на сочетании быстрых и медленных фаз
1.2.1 Анализ медленных движений
1.2.2 Анализ быстрых движений
1.3 Краткое описание результатов теоретического рассмотрения простой механической модели
1.4 Экспериментальное исследование движений трёхзвенника
1.4.1 Описание конструкции робота
1.4.2 Система управления
1.4.3 Закон движения
1.4.4 Условие покоя трёхзвенника в медленных фазах движения
1.4.5 Поперечное движение
1.4.6 Продольное движение
1.4.7 Поворот на месте
1.4.8 Обсуждение результатов экспериментов
1.5 Учёт сил трения в быстрой фазе движения
1.5.1 Постановка задачи
1.5.2 Результаты численных экспериментов
1.5.3 Выводы
1.6 Квазнстатическое перемещение трёхзвенника на плоскости с трением
1.6.1 Механическая модель
1.6.2 Первая фаза
1.6.3 Вторая фаза
1.6.4 Третья фаза
1.6.5 Решение совокупной системы неравенств
2 Вибрационные роботы
2.1 Механическая модель
2.2 Стационарный режим движения системы при малом трении
2.3 Вибрационный робот с двумя осцилляторами
2.4 Динамика вибрационного робота с дебалансным вибровозбудителем
2.5 Численное моделирование
2.6 Экспериментальное исследование движений виброробота с одной подвижной массой
2.7 Исследование движений виброробота с тремя подвижными массами
Заключение
Список литературы

Введение
Функционирование современного общества уже немыслимо без машин, которые позволяют человеку осуществлять очень большое разнообразие работ. Автоматы и неавтоматические механизмы являются основными и незаменимыми инструментами почти во всех областях человеческой деятельности: транспорт, строительство, сельское хозяйство — список можно продолжать бесконечно. Поэтому крайне важно всегда иметь и распоряжении как можно более полный набор всевозможных механизмов для выполнения разного рода задач.
Одна из самых важных областей применения .машин — перемещение людей и грузов на различные расстояния. Спектр возможных способов выполнения этих задач очень широк. Польза от науки, в частности механики, в этой области заключается в поиске наиболее оптимальных из существующих вариантов перемещения для каждого конкретного случая, а также в разработке новых.
Для большинства целей подходит ставший традиционным способ перемещения — движение на колёсах. Для колёсных машин создана мощная инфраструктура — прежде всего это дороги. На гладкой, почти горизонтальной поверхности у колёсных машин практически нет конкурентов, так как именно такие механизмы обеспечивают наиболее быстрое, экономичное и безопасное перемещение грузов и людей на любые расстояния. Действительно, трение качения на ровных твёрдых поверхностях, на преодоление которого вынуждены расходовать энергию колёсные машины, гораздо меньше, например, трения скольжения механизма па той же плоскости. Если обеспечена качественная инфраструктура, то ход колёсных машин плавный, езда в них комфортна — можно перевозить хрупкие грузы.
Однако дорожная сеть не везде развита в достаточной мере, кроме того, существуют ситуации, когда проводить дорогу экономически нецелесообразно (например, если перевозить грузы требуется редко и всегда в разные места на сложной местности) пли просто невозможно. В таких случаях приходится изобретать иные способы перемещения: с помощью воздухоплавательных средств, гусеничных, шагающих или даже ползающих машин. Например, при движении но каменистой местности наиболее подходящими видятся шагающие механизмы, но их недостатком является относительно сложная конструкция и система управления, что определяет их малую распространённость в настоящее время. Однако шагающим механизмам уделяется пристальное внимание ведущими исследовательскими центрами мира, причём акцент делается на биомеханику и подражание животным и человеку при ходьбе. Если же движение происходит по сыпучим средам, своё применение могут найти ползающие механизмы. При длительном автономном движении по очень сложным поверхностям с неровностями, участками с песком и т.д. колёсные машины непригодны — если колесо попадёт в расселину между камнями либо забуксует в песке, без помощи людей или дополнительной техники освободить её будет сложно, а гибкие многозвенные змееподобные механизмы в большинстве случаев могут справиться с этой поверхностью без труда, как нам показывают примеры из животного мира (змеи).
Другой фактор, не позволяющий колёсным машинам стать единственным и безальтернативным вариантом, — это разнообразие выполняемых работ. Не всегда требуется лишь переместить полезный груз и точки А в точку Б. Часто требуется выполнять различные полезные действия прямо во время движения, а иногда именно эта работа является главной задачей механизма. В этих случаях также альтернативные

способы перемещения могут оказаться предпочтительнее. Например, трамбовщик грунта в виде простого колёсного катка иногда может не быть наилучшим решением: с одной стороны, он должен быть очень тяжёлым, чтобы грунт (асфальтовое покрытие) уплотнялся, с другой, желательно, чтобы он был достаточно мобилен, а значит, легок. Кроме того, слишком тяжёлый каток может привести к «растеканию» слабого грунта из иод колеса в силу малости площади контакта, а увеличение площади контакта колеса неизбежно влечёт увеличение габаритов. Итак, получились две нары противоречащих друг другу требований — лёгкость и большая сила давления, большое давление и большая площадь воздействия без увеличения габаритов. Выходом из данной ситуации может стать применение машин с плоской поверхностью, находящейся в контакте с грунтом, которая воздействует на него при помощи дополнительно создаваемой вертикальной силы. Можно сделать так, что эта сила на короткое время будет значительно превышать вес всей машины. Таким образом, в этой области могут найти применение механизмы, перемещающиеся за счёт вибраций.
В данной работе рассматривается два альтернативных способа движения, которые могут быть использованы в различных специализированных практических приложениях: перемещение змееподобного трёхзвенного робота и перемещение виброробота с внутренними дебалансньши вибровозбудителями.
«Змееподобным» механизмам, представляющим собой цепь жёстких звеньев, соединённых поворотными шарнирами, в которых расположены управляющие двигатели. создающие моменты, внутренние по отношению к многозвеннику, посвящён большой цикл работ [3, 5, 6, 7, 9, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 30]. Между миогозвенником и поверхностью, по которой он движется, действует сухое кулоновское трение. Управляя моментами в шарнирах и, тем самым, силой трения, приложенной к механизму, можно обеспечить его перемещение нз произвольного начального состояния в заданное конечное положение.
В наиболее часто применяемых способах передвижения (качение, шагание) точки контакта робота с поверхностью постоянно меняются: при качении точка контакта меняется непрерывно, при шагании — от шага к шагу. Способ передвижения змей и других животных, не имеющих конечностей, принципиально другой. В отличие от шагающих животных, змеи большей частью сохраняют постоянный контакт между их телами и землёй. Несмотря на то, что сила трения, действующая на каждый движущийся сегмент тела, направлена против скорости этого сегмента, центр масс змеи движется в избранном ею направлении. Это происходит из-за того, что результирующая сил трения, приложенных к отдельных сегментам, всегда направлена вдоль ускорения центра масс, если никакие другие силы на змею не действуют. Изменяя конфигурацию и характер движения своего тела, змея управляет ускорением своего центра масс. Для того, чтобы объяснить данное явление было предложено много самых разных моделей змееподобных движений. Например, рассматривались движения змей в изогнутых трубах [5]. Было показано, что требуемая результиру-югцая сила может быть создана нормальной реакцией трубы. Змеи большей частью реализуют следующий способ перемещения — они изгибают свое тело и опираются на различные вертикальные препятствия (стены или наклонные объекты). Змеи всегда пытаются использовать подобные препятствия и избегают плоских поверхностей, где они чувствуют себя неуютно. Биомеханический аспект змееподобного движения был рассмотрен в |3], а механизм подобного перемещения при наличии

Рис. 16. Зависимость угла поворота при вращении на месте от отношения масс концевых узлов к центральным
1.4.8 Обсуждение результатов экспериментов
Эксперименты подтвердили применимость концепции движения, описанной в разделе 1.1, к мобильным роботам, а также подтвердили правильность основных качественных черт движения, предсказанных теорией. Однако графики, представленные на рисунках 11-16, демонстрируют существенное количественное расхождение между экспериментальными и теоретическими данными. Это связано с тем, что в теории длительность быстрых движений принимается бесконечно малой, а действием силы трения во время быстрый движений пренебрегают. В эксперименте отношение моментов двигателей к моменту сил трения было недостаточным для выполнения этого предположения. Поэтому влияние сил трения на движение робота было ощутимым. Для того, чтобы теория была пригодна для более точных численных расчетов, необходимо учесть в ней влияние сил трения в быстрых движениях (более подробно этот вопрос разбирается в разделе 1.5 данной работы)
В ходе исследований выяснилось, что трехзвенник иногда заметно отклоняется от заданного начального направления как при боковом движении, так и при продольном. Неровности поверхности , по которой происходит движение, и просто неравномерность поля коэффициентов трения, различные ошибки управления сильно влияют на направление движения робота. Поэтому идеальным вариантом было бы использование какой-либо системы навигации для того, чтобы робот мог корректировать свой курс по ходу движения.
Эксперименты показали, что среднюю дальность перемещения за цикл можно значительно увеличить, оптимизируя конструктивные параметры робота и закон вращения концевых звеньев.
Описанные выше модификации в конструкции робота позволили ему лучше адаптироваться к неровностям поверхности, характерный размер которых превышает диаметры пластин, на которые опирается робот, либо меньше их, если величина неровностей в вертикальном плане мала по сравнению с толщиной упругой прокладки, приклеенной снизу контактных пластин центральных узлов. Однако это не