Повышение манёвренности шагающих машин посредством применения привода со сдвоенными ортогонально - поворотными движителями

На правах рукописи

СЕРОВ Валерий Анатольевич ПОВЫШЕНИЕ МАНЁВРЕННОСТИ ШАГАЮЩИХ МАШИН ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИВОДА СО СДВОЕННЫМИ ОРТОГОНАЛЬНО - ПОВОРОТНЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ 05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2013 2

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шурыгин Виктор Александрович

Официальные оппоненты: Пряничников Валентин Евгеньевич доктор технических наук, старший научный сотрудник Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН ведущий научный сотрудник Шевчук Владимир Петрович кандидат технических наук, профессор Волгоградский государственный технический университет профессор кафедры «Автомобиле- и тракторостроение» Ведущая организация Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, г. Москва.

Защита диссертации состоится «04» июня 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «30» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 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).

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 1. 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.

2. 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.

4. 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.

5. Экспериментально установленные закономерности работы приводов на примере шагающей машины «Ортоног».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы задачи и цель диссертационной работы, описано, в чем заключается её практическая ценность и научная новизна, представлены общая методика исследования, структура диссертации и результаты, выносимые на защиту. Сформулировано понятие манёвренности, как способность транспортного средства изменять направление движения и положение в пространстве по командам управления.

В первой главе проведен обзор литературы, дан краткий анализ существующих схем, конструкций шагающих машин и методов их расчетов рассмотренных в работах: А.П. Бессонова, К. Бернса, Е.С. Брискина, К. Валдрона, Ю.Ф. Голубева, В.В. Жоги, И.А. Каляева, С.Г. Капустяна, В.В. Лапшина, Д.Е. Охоцимского, А.К. Платонова, В.Е. Павловского, А.В. Тимофеева, Н.В. Умнова, А.М. Формальского, В.В. Чернышева, Е.И. Юревича, А.С. Ющенко и др.

Основным элементом шагающей машины является механизм шагания, выбор которого предопределяется функциональным назначением шагающей машины. В свою очередь, выбранный механизм шагания определяет всю кинематическую схему трансмиссии машины и систему управления.

Существующие движители, применяемые в шагающих машинах, условно можно разделить на два типа.

Примерами движителей первого типа – шагающие движители, содержащие механизмы шагания циклового действия с одной управляемой степенью свободы, являются движители курсового перемещения, применяемые в шагающих машинах серии «Восьминог», на дождевальной машине «Кубань».

Примерами движителей второго типа – шагающие движители, состоящие из механизмов шагания с несколькими управляемыми степенями свободы, являются движители установленные на шагающих машинах Plustech (Финляндия), ASV (США) и др. Они основаны на применении многозвенных механизмов со многими степенями свободы и обладают хорошей манёвренностью.

Достоинство таких механизмов состоит в возможности перенесения стопы механизма шагания в произвольную точку опорной поверхности по задаваемой траектории, допускаемой кинематической схемой и параметрами механизма. Это требует согласованной работы всех приводов, что при современном уровне развития мехатроники вполне возможно. Однако их главный недостаток состоит в дополнительных энергозатратах на поддержание веса машины в процессе реализации программного движения.

Свободными от этого недостатка являются 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 необходимости затрат энергии на поддержание веса машины.

Широкого применения они пока не получили из-за достаточно больших габаритных размеров движителей, а в целом из-за отсутствия достоверных методов расчёта и проектирования системы приводов.

Поэтому актуальны задачи разработки методов расчета и проектирования шагающих машин с ортогональными движителями, включающих обоснование выбора типа приводов и их расчёт.

Во второй главе обоснован выбор кинематической схемы машины и исполнительных механизмов шагающих движителей, обеспечивающих повышение манёвренности.

На основе изучения и анализа шагающих машин различного типа, их движителей, механизмов шагания и систем управления в качестве механизма шагания определен ортогональный механизм.

Сдвоенный ортогонально-поворотный (СОП) движитель (рис. 1) состоит из двух ортогональных механизмов шагания, с дополнительным приводом поворота плоскостей шагания относительно корпуса машины. Особенность сдвоенного ортогонально-поворотного движителя состоит в том, что когда опора одного из механизмов привода адаптации находится на грунте (опорной поверхности), другой механизм находится в фазе переноса. Это позволяет, не заботится о выборе походки и обеспечивает гарантированную статическую устойчивость машины.

Цикл движения шагающей машины в этом случае состоит из периодически сменяемых фаз. По достижении опорой переднего крайнего положения (завершении фазы переноса), начинается движение опоры вниз до касания с опорной поверхностью (фаза адаптации). После того, как опора возьмёт на себя нагрузку, она переходит в опорную фазу. В это же время начинается подъём второй опоры этого же движителя, находящейся до этого в опорной фазе. Подъём длится до достижения опорой крайнего верхнего или запрограммированного любого другого положения – фаза адаптации.

После подъёма опоры, происходит её ускоренное перемещение из одного крайнего положения в другое – фаза переноса. Цикл повторяется снова.

Корпус шагающей машины в это время перемещается поступательно посредством привода курсового движения, относительно опоры 1 находящейся на грунте.

— привод курсового движения, 2 — привод вертикального перемещения (адаптации), схемы шагающей машины необходимо При построении кинематической 3 — привод поворотного движения, исходить из количества и вида движителей, установленных на шагающей машине. У 4 — корпус машины.

разрабатываемой машины, каждый движитель состоит из двух механизмов шагания, а система Кинематическая схема СОП взаимодействие одного из них с опорной Рис. 1 – управления обеспечивает движителя шагающей машины поверхностью, что гарантирует статическую устойчивость машины. Дополнительно каждый движитель имеет еще одну степень свободы, обеспечивающую поворот плоскостей шагания сдвоенных механизмов в горизонтальной плоскости (рис. 2).

Для организации целенаправленного перемещения такой машины достаточно наложить три управляющих связи. В общем случае эти связи описываются нелинейными алгебраическими уравнениями j = j ( 1...n, 1... n, t ) = 0, j=1,2,3 (1) &&&& Если ограничиться рассмотрением линейных связей, что соответствует наиболее простой конструктивной реализации и движению, приближенно поступательному ( n – малы), то вместо 1 – ось подвеса движителя к корпусу, 2 – (1) получим несущая конструкция движителя, 3 – опора 2n n iji + ij i = u j (t ) & & (2) механизма шагания взаимодействующая с i =1 i =n + грунтом, 4 – опора механизма шагания, здесь: u j (t ) – управляющее воздействие. находящегося в переносе Рис. 2 – Кинематическая схема Уравнение (2) удобно представить в матричной форме сдвоенного ортогонально-поворотного движителя &.

11 K 1n1,n+1 1,2 n u1 ( t ) n & 21 K 2 n 2,n+1 2,2 n = u2 ( t ). (3) & 31 K 3n3,n+1 3,3n. u3 ( t ) n & В уравнениях (2), (3) u1 ( t ) – законы управления приводами курсового перемещения и поворота плоскостей шагания, являющиеся компонентами матрицы столбца законов управления U (в дальнейшем матрица-столбец законов управления) и ij – элементы матрицы А, характеризующие кинематическую схему и систему управления приводами машины (в дальнейшем матрица управления приводами).

В третьей главе представлена методика выбора программных режимов работы приводов движителей при поступательном движении шагающей машины.

j Mj Y r r Aj Rj hj r j r rj j Oj r VC С YC XC 0 X Рис. 3 – Кинематическая схема шагающей машины при плоском движении корпуса и одного из находящихся в опоре механизмов шагания В качестве расчётной схемы шагающей машины рассматривается система твёрдых тел, перемещающихся в плоскости XOY (рис. 3). Их положение в плоскости XOY описывается координатами X C, YC, – соответственно положение характерной точки корпуса, например, центра масс и угол поворота продольной оси корпуса машины;

j – угол поворота j движителя относительно продольной оси машины;

j – положение опорной стойки механизма шагания на движителе.

Рассматривается плоское движение системы твердых тел, состоящих из корпуса и шарнирно соединенных с ним стержней переменной длины, вращающихся относительно неподвижных точек, положение которых меняется при перестановке опор. Движение корпуса шагающей машины в плоскости ОXY (рис. 3) задается r скоростью VC полюса (центра масс С) и угловой скоростью вращательного движения вокруг полюса. Положение точки M j крепления j движителя на r корпусе шагающей машины задается радиус-вектором R j относительно условного центра С, составляющего угол j с продольной осью машины и радиусом-вектором r r j точки М относительно опорной точки движителя Oj. O j Aj – ось привода продольного перемещения находящегося в опоре механизма шагания СОП движителя, Aj M j = h = const – рычаг крепления привода, j – угол поворота движителя относительно корпуса. Тогда скорость точки подвеса M j одного из j движителя к корпусу определяется как: r r r r VM j =VC + Rj. (4) С другой стороны, скорость той же точки M j определяется из уравнений движения механизма шагания, находящегося в опорной фазе:

j = j ( t );

j = j (t), (5) где j и j соответственно законы движения привода курсового движения и привода поворота. r rr r r VM j = j + (j + ) rj. (6) Решая совместно уравнения (4) и (6) получаем j cos ( j ) + hj ( sin j ) j sin( j j ) + h cos( j j )] Rj j = VC & j j (7) D V sin( j ) & R j = 2 = C + j cos( j j ).

j j D При исследовании программных режимов работы приводов обеспечивающих поступательное движение машины в уравнениях (7) угловую скорость следует принять равной нулю.

Тогда получаем:

( ) j = VC j cos ( j ) + h sin ( j ) j, & (8) j = VC sin( j ) j.

& Одной из важнейших кинематических особенностей шагающей машины со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями, является согласованное движение механизмов шагания установленных на каждом движителе. Эта особенность состоит в том, что при переносе одного из механизмов шагания – другой, принадлежащий тому же движителю, обязательно находится в состоянии взаимодействия с грунтом. Поэтому имеет место согласованность в движении переносимого и опирающегося на грунт механизмов шагания.

Согласованность при поступательном движении обеспечивается реализацией циклограммы горизонтального относительного перемещения опоры механизма шагания от времени (рис. 4).

Наиболее просто обеспечение согласованности, в соответствии с графиком, на рисунке 4 достигается изменением горизонтальной скорости стопы в относительном движении в течении одного периода Т, описываемой функцией, графически представленной на рисунке 5.

j пер a L в a a a c j оп 0 c a L а – длина зоны адаптации, c – расстояние от оси движителя, L – длина шага Рис. 4 – Зависимость курсового перемещения переносимого механизма шагания jпер от перемещения опорного механизма шагания jоп Vr U t V T hT T T T T T Рис. 5 – Зависимость горизонтальной скорости опоры механизма шагания от времени Такие зависимости обусловлены требованиями к кинематическим параметрам механизма шагания и предусматривают движение с постоянной относительной скоростью Vr, направленной в сторону, противоположную движению машины, в фазе взаимодействия с грунтом (Т) и в зоне адаптации (Т), равноускоренное (Т), равномерное (hT) и равнозамедленное движение (Т) в фазе переноса стопы. Для реального механизма шагания зависимость Vr = Vr (t ) может отличаться, однако её качественный характер сохраняется.

Исследование поступательного движения допускает рассмотрение следующих вариантов: а) = 0;

= 0;

б) = (t ) – знакопеременная функция;

в) = (t ) – знакопостоянная функция.

Случай а) соответствует поступательному, вдоль оси ОХ, движению шагающей машины с соосно расположенными движителями.

Случай б), в) соответствует движению центра масс шагающей машины по произвольной траектории.

Учитывая, что шагающие машины перемещаются с достаточно малыми скоростями и, соответственно, малы и ускорения, то при определении усилий развиваемых приводами возможно рассматривать квазистатические режимы.

Поэтому допустимо воспользоваться принципом Даламбера-Лагранжа, который приводит к необходимости совместного решения уравнений j = c ( j cos j + hj sin j ) j + cn ( j cos j + h sin j ) j + ( ) + Rj j sin( j j ) + h cos( j j )] j (9) j = c sin j j + cn cos j j + Rj cos( j j ) j % Fj = -Fj = -c j. (10) % M = -T +F h = c2 + ch. (11) j j j j j j j ( -Tj sin j + Fj cos j ) = Q (Tj cos j + Fj sin j ) = Qn (12) M j = M где Q, Qn – соответственно проекции главного вектора внешних сил на продольную и поперечную оси машины;

M – момент внешних сил, действующий на корпус машины;

c – касательная жесткость грунта;

F j – усилия в j приводе курсового перемещения;

M j – момент, развиваемый j приводом поворота;

T j – поперечная сила, действующая на j опору.

В четвертой главе рассматривается экспериментально-теоретическое исследование режимов работы приводов при поступательном движении шагающей машины. Вводится понятие идеальной манёвренности – способности корпуса транспортной машины, как твёрдого тела совершать любое (рис. 6) движение по плоской твёрдой поверхности за счёт собственных движителей.

Теоретическое исследование предусматривает математическое моделирование различных видов поступательного движения, отличающихся в математической модели (8) зависимостью = (t ).

B A A B – траектория перемещения колёсного и гусеничного транспортного средства;

– траектория шагающей машины со сдвоенными ортогонально поворотными движителями.

Рис.6 – Сравнительная траектория перемещения транспортных средств при совершении манёвров На рисунках 7, 8 представлены некоторые виды моделируемых движений. На рисунках 9, 10 показан требуемый характер изменения линейных и угловых скоростей приводов, что подтверждает необходимость регулирования скоростей в процессе движения даже при поступательном движении, а на рисунках 11, 12 зависимости требуемой мощности.

Рис. 7 – Движение полюса точки С по дуге окружности радиуса = 5м со скоростью VC = 0,15 м/с Рис. 8 – Движение полюса точки С по синусоидальной траектории Рис. 9 – Зависимость угловой скорости привода поворота от времени при движении точки С по синусоидальной траектории (рис. 6) Рис. 10 – Зависимость линейной скорости курсового привода от времени при движении точки С по синусоидальной траектории (рис. 6) Рис. 11 – Зависимость мощности привода курсового движения (1) и привода поворота (2) от времени при движении точки С по дуге окружности (рис. 7) Рис. 12 – Зависимость мощности привода курсового движения (1) и привода поворота (2) от времени при движении точки С по синусоидальной траектории В результате математического моделирования кинематики перемещения шагающей машины, обнаружено явление неустойчивого движения движителей при реверсивном движении шагающей машины (рис. 13) Рис. 13 – Явление неустойчивости движения движителей В процессе движения машины движители меняют свою ориентацию, поворачиваясь на 180.

Для обеспечения рассматриваемых режимов движения, определены параметры, обеспечивающие поступательное перемещение шагающей машины «Ортоног» (рис. 14) с ортогональными движителями на основе сервомоторов с ролико-винтовыми парами, сформулированы исходные данные и определен график перемещения опоры механизма шагания одного модуля относительно корпуса машины (рис. 15).

Рис. 14 – Шагающая машина «Ортоног» L X CD AB E J h F I G H Y Рис. 15 – График перемещения опоры ШМ Траекторию перемещения опоры функционально можно разбить на следующие участки: XАВ – участок разгона до Vпереноса;

XВС – участок перемещения с Vпереноса;

XCD – участок торможения с Vпереноса до 0 м/с;

XDC – участок разгона до Vкорпуса;

XCB – участок перемещения с Vкорпуса;

XВA – участок торможения с Vкорпуса до 0 м/с;

XGH – длина участка опорной фазы;

YDE – участок разгона до Vверт;

YEF – участок перемещения с Vверт;

YFG – участок торможения с Vверт до 0 м/с;

YHI – участок разгона до Vверт.;

YIJ – участок перемещения с Vверт;

YJA – участок торможения с Vверт до 0 м/с.

Для различных высот подъема опоры Н получены значения скоростей перемещения исполнительных механизмов приводов курсового перемещения (табл. 1).

Таблица 1 –– Значения максимальных скоростей движения шагающей машины при различных значениях высоты подъёма опоры Высота подъёма Скорость переноса горизонтального Скорость движения шагающей опоры (Н), мм штока (fast_h_speed), мм/с машины (main_h_speed), мм/с 100 635 200 317,5 90, 300 211,66 62, 400 158,75 47, Для обеспечения поступательного перемещения шагающей машины, разработан алгоритм циклового движения модуля движителя, условно называемого, «электрическим кривошипом» состоящего из двух механизмов продольного перемещения и двух механизмов вертикального перемещения, блок-схема которого представлена на рисунке 16. В свою очередь данный алгоритм состоит из подпрограмм проверки и коррекции начального положения, пересчёта скоростей по заданию (изменение скоростей по бортам), определения ведущего движителя и определение координат ведомого движителя.

Начало Проверка и коррекция начального положения Нет Движение разрешено?

Да Конец Пересчет скоростей по заданию Определение ведущего Да Нет Ведущий левый?

Ведущий левый Ведущий правый Определение Определение координат координат ведомого ведомого Задание Задание координат и координат и скорости скорости перемещения перемещения приводов приводов Рис. 16 – Блок-схема алгоритма циклового движения модуля шагающей машины Для удобства управления шагающей машиной, в приведённых алгоритмах все параметры перемещения движителей вычисляются в зависимости от задаваемой скорости движения шагающей машины в соответствии с расчетными формулами расчёта значений характеристических точек.

В качестве архитектуры системы управления была выбрана схема, представленная на рисунке 17. Основными элементами системы управления являются: блок управления, состоящий из четырёх модулей МК;

блоки управления электроцилиндрами (по одному на каждый из 20 электроцилиндров);

датчики обратной связи, установленные непосредственно на каждом из электроцилиндров;

панель управления, пульт выносной, представляющий собой управляющую ЭВМ в форм-факторе планшетный компьютер.

Рис. 17 – Функциональная схема системы управления шагающей машины с ортогональными движителями Разработан алгоритм и проведены натурные эксперименты по отработке перемещения шагающей машины «Ортоног» на промежуточном (200мм) и максимальном выходе опор (400мм). Некоторые результаты, в виде графиков зависимостей перемещений штоков электроцилиндров одного движителя и их скоростей во времени в зависимости от заданной высоты подъёма опоры (h=200мм h=400мм) и скорости движения шагающей машины (V=15мм/с), приведены на рис. 18.

Рис. 18 – Движитель задний левый: h=200мм;

V=15мм/с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработанная кинематическая схема шагающей машины с приводами, имеющими сдвоенные ортогональные движители, в которых в качестве исполнительного механизма используются линейные сервомоторы с ролико винтовыми парами, обеспечивает: повышенную маневренность шагающих машин;

уменьшение количества исполнительных механизмов, за счет общего привода поворота для двух механизмов шагания;

гарантированную статическую устойчивость машины, за счёт того, что как минимум по одной опоре каждого движителя находятся на опорной поверхности в любой момент движения.

2. Матричное описание законов управления режимами работы приводов допускает исследование различных, отличающихся друг от друга коэффициентами матрицы приводов, а от традиционных транспортных средств – тремя (вместо двух) управляющими параметрами.

3. Метод расчёта кинематических, динамических и энергетических характеристик шагающей машины с приводами, имеющими сдвоенные ортогонально-поворотные движители, позволяет выбирать исполнительные механизмы привода по параметрам реализации необходимых усилий, мощности и скоростей.

4. Разработанные алгоритмы циклового перемещения опоры шагающей машины система управления режимами работы приводов обеспечивают:

а) для одного движителя – режим согласованной работы для двух сдвоенных механизмов шагания;

б) для системы движителей – поступательное движение шагающей машины и специальное маневрирование.

5. Экспериментальные исследования опытного образца шагающей машины «Ортоног» подтвердили работоспособность и высокую манёвренность шагающей машины со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями, имеющими в качестве исполнительного механизма линейные сервомоторы с ролико-винтовыми парами, в соответствии с поставленной целью.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Об определении предельно допустимых нагрузок, действующих на ортогонально-поворотные движители / Е.С. Брискин, А.В. Малолетов, В.А. Серов А.М. Колесов, // Справочник. Инженерный журнал. - 2010. - № 9. - C. 19-23.

2. Моделирование движения шагающей машины с ортогонально-поворотными движителями / В.А. Шурыгин, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 11: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011.

- № 9. - C. 41-44.

3. О статически устойчивой походке шагающей машины с тремя сдвоенными ортогонально-поворотными движителями / Е.С. Брискин, А.В. Малолетов, А.М.

Колесов, В.А. Серов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2012. - № 7. - C.

22-27 + рис., 2-я стр. обл.

4. Энергетически эффективные режимы управления приводами при согласованном групповом движении транспортных модулей / Калинин Я.В., Шаронов Н.Г., Серов В.А. // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, выч. техники и информатики в техн. системах". Вып. 12: межвуз. сб.

науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 11. - C. 16-19.

Научные статьи и доклады в сборниках и периодических изданиях:

5. Алгоритмы управления сдвоенными ортогональными шагающими движителями при преодолении типовых препятствий / Е.С. Брискин, А.В.

Малолетов, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов // Матер. 7-й науч.-техн. конф.

"Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), проводимой в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010) / Гос. науч. центр РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор" [и др.]. - СПб., 2010. - C. 91-94.

6. Об управлении дождевальными машинами с шагающими движителями / Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, А.В. Малолетов, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов // Робототехника. Взгляд в будущее: тр. междунар. науч.-техн. семинара / С.-Петерб.

гос. политехн. ун-т [и др.]. - СПб., 2010. - C. 202-205.

7. Проблемы разработки шагающих машин [Электронный ресурс] / Е.С.

Брискин, В.Е. Павловский, В.А. Шурыгин, В.В. Чернышев, А.В. Малолетов, В.А.

Серов // Экстремальная робототехника : сб. докл. всерос. науч.-техн. конф. / ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики, С.-Петерб. гос. политехн. ун-т. - СПб., 2012. - электрон. опт. диск (CD-ROM). - C. 43-50.

8. Шагающие машины со сдвоенными энергетически эффективными механизмами / Е.С. Брискин, В.А. Шурыгин, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов, Я.В.

Калинин // Экстремальная робототехника: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. / Центр технологии судостроения и судоремонта, ЦНИИ робототехники и техн.

кибернетики. - СПб., 2011. - C. 87-90.

9. Шагающие машины ВолгГТУ (опыт разработки, результаты исследований, практическое применение) / Е.С. Брискин, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов // Экстремальная робототехника: тр. XXI междунар. науч.-техн. конф. / ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики [и др.]. - М.;

СПб., 2010. - C. 84-91.

10. Шагающие машины со сдвоенными механизмами шагания / Е.С. Брискин, В.А. Шурыгин, В.А. Серов, Н.Г. Шаронов, А.В. Леонард, А.М. Колесов // Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления. МКПУ-2011: матер. / Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит. систем им. проф. А.В. Каляева ЮФУ [и др.]. - М.;

Таганрог, 2011. - Т. 2. C. 185-189.

11. Шагающие машины со сдвоенными энергетически эффективными механизмами шагания [Электронный ресурс] / Е.С. Брискин, В.А. Шурыгин, В.А.

Серов, Н.Г. Шаронов, Я.В. Калинин // Экстремальная робототехника : тр. междунар.

науч.-техн. конф. / Центр технологии судостроения и судоремонта, ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики, С.-Петербург. гос. политехн. ун-т. - СПб., 2011.

- 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - C. 59-62.

Подписано в печать _._.2013 г. Заказ № …. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, ул. Советская,