автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Динамика управляемого шагающего аппарата

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Обзор литературы.

1.2. Основная задача исследования.

1.3. Выбор торсионных валов.

1.4. Выбор двигателей.

1.4.1. Выбор двигателя основного движения.

1.4.2. Выбор двигателя поворота.

1.5. Выбор редукторов.

1.6. Электромагнитные муфты.

1.7. Выбор геометрических размеров стопы.

Выводы по главе 1.

2. Модели пространственного удара аппарата.

2.1. Ударные явления в технике.

2.2. Неупругий удар.

2.2.1. Первый этап. Удар свободного тела.

2.2.2. Второй этап. Удар тела с одной неподвижной точкой.

2.2.3. Третий этап. Остановка тела, совершавшего вращение вокруг неподвижной оси.

2.3. Упругий удар.

2.4. Поперечный удар по упругой балке.

2.5. Описание динамики пространственного упругого аппарата методом матриц переноса.

2.5.1. Изгибное колебание.

2.5.2. Продольное колебание.

2.5.3. Крутильное колебание.

Выводы по главе 2.

3. Исследование динамических характеристик пространственного шагающего аппарата методом конечных элементов.

3.1. Введение.

3.2. Уравнения равновесия.

3.3. Уравнения упругих колебаний конструкции.

3.4. Актуальность динамического анализа конструкций

3.5. Процесс расчета колебаний аппарата методом конечных элементов в среде MSC/NASTRAN.

Выводы по главе 3.из

4. Управление муфтами робота.1 и

4.1. Введение.

4.2. Геометрический и структурный анализ механизма аппарата.

4.3. Определение функций положения.

4.4. Разработка метода оптимального управления муфтами.

4.4.1. Первый случай: скольжения нет, контакт средним пальцем.

4.4.2. Второй случай: скольжения нет, контакт двумя пальцами

4.4.3. Тритий случай: скольжения нет, контакт боковым пальцем.

4.4.4. Четвертый случай: скольжение есть, контакт средним пальцем.

4.4.5. Пятый случай: скольжение есть, контакт двумя пальцами

4.4.6. Шестой случай: скольжение есть, контакт боковым пальцем.

Выводы по главе 4.

5. Динамическая модель управляемого аппарата с учетом упругости механической части.ш

5.1. Уравнения упругой части.

5.2. Уравнения движения механизма с идеальным силовым двигателем.

5.2.1. Кинетическая энергия.

5.2.2. Потенциальная энергия.

5.2.3. Обобщенные силы.

5.2.4. Исследование движения механизма с идеальным приводом.

5.3. Математическое описание робота с учетом характеристик привода.

5.4. Расчет программных законов разгона и торможения.

5.5. Системы непрерывного управления с обратной СВЯЗЬЮ.

Выводы по главе 5.

Основой целью работы является исследование динамических свойств управляемого шагающего аппарата. Весь расчет проведен на примере конструкции двуногого шагающего механизма большого размера. Этот механизм способен перемещаться по резко пересеченной местности, а также в зонах крупных разрушений при чрезвычайных ситуациях. Он не требует предварительной подготовки трассы и прежде всего предназначен для спасательных групп МЧС. С помощью данного аппарата меньшего размера можно доставлять различное оборудование в помещения с наличием множества ступенек и порогов, перемещаясь внутри трубопроводов и т.п. что трудно осуществимо традиционными средствами на базе колеса и гусениц.

Конструируя шагающие аппараты (ША), ученые и инженеры стремятся овладеть рядом преимуществ по сравнению с колесными. Одно из таких преимуществ состоит в том что для экипажа, снабженного конечностями, требования к трассе передвижения значительно ниже, чем для колесного и даже гусеничного. В то время как колесный и гусеничный экипажи имеют непрерывную колею, шагающие объекты используют лишь дискретные участки местности, необходимые для постановки ног, благодаря этому они лучше приспособлены к условиям бездорожья.

Задача создания шагающего аппарата - сложная задача механики и теории управления. Она требует решения многих проблем, и в настоящее время, вероятно, наибольшую сложность представляют алгоритмические проблемы управления. Система управления шагающим аппаратом достаточно сложна. При её синтезе внимание должно быть сосредоточено на учете эффектов, обусловленных сменой опорных конечностей, изменением накладываемых связей. Это значит, что принципы системы управления шагающего аппарата должны базироваться на математических результатах теории управления системами с переменными связями.

Современные средства вычислительной техники позволяют создавать весьма сложные системы управления. Благодаря таким возможностям, в области разработки шагающих устройств открылись новые широкие перспективы. В связи с этом, в последние годы значительно расширился круг исследователей, которых привлекает проблема организации передвижения шагающих аппаратов. В настоящее время разработка аппаратов, перемещающихся с помощью конечностей, стала одним из важных направлений робототехники.

Исследования способов организации локомоций и систем управления ими у живых существ, в том числе и у человека, помогают решению соответствующих задач в робототехнике. С другой стороны, разработка тех или иных устройств, перемещающихся с помощью конечностей, способствует пониманию организации локомоционных процессов в живой природе. В связи с этим, изучение способа передвижения живых существ по поверхности земли, издавна привлекало внимание исследователей. Природа не создала колеса и большинство сухопутных животных, передвигается с помощью ног. Изучению такого движения посвящено много работ, в которых описано большое многообразие походок, используемых животными применительно к среде обитания[47] .Следует отметить также минимальные повреждения, причиняемые отдельными животными опорной поверхности при перемещении по ней.

Принимая во внимания вышесказанное можно в качестве обоснования актуальности темы данной работы перечислить области возможного применения шагающих аппаратов:

-Для транспортирования приборов и инструментов в зонах сплошных разрушений в помощь отрядам МЧС;

-При создании транспортных средств для использования в лесу, в тундре, в районах вечной мерзлоты, зонах пустынь и полупустынь, где нарушения экологического равновесия могут иметь заметные и длительные последствия; 8

-Погрузка и разгрузка кораблей в условьях мелководья при отсутствии причалов;

-Водные транспортные операции во время ледохода;

-Транспортирование кабелей, приборов и инструментов внутри узких трубопроводов;

-Возможно созданных роботов для обследования и проведения работ внутри корпусов кораблей, затонувших на большой глубине; и так далее, от сельского хозяйства до космического исследования.

Основные результаты и выводы

В диссертационной работе в различных постановках рассмотрен ряд задач по статическому и динамическому исследованию управляемого шагающего аппарата, применяемого для перемещения и доставки различного оборудования в трудно доступные места.

В результате выполненных исследований сформулированы следующие основные выводы:

1. Предложена подробная схема и выполнен структурный анализ модели шагающего аппарата. На основе расчетов осуществлен выбор основных элементов аппарата.

2. Составлена динамическая модель механической части аппарата, учитывающая сдвиговые слагаемые в элементах.

3. Исследован пространственный неупругий удар абсолютно твердой стопы состоящей из трех пальцев, жестко закрепленных на одном основании.

4. К шагающего аппарату применено численное моделирование с использованием конечно-элементного комплексного пакета MSC/NASTRAN. Выполнены все этапы построения расчетных модели конструкции: разработка геометрии, создание конечно-элементной сети, формирование нагрузки и граничных условий.

5. Определены собственные формы и частоты. Выполнен частотный анализ модели пространственного стержневого механизма шагающего аппарата при динамической нагрузке.

6. На основании геометрического и структурного анализа механизма аппарата представлены алгоритмы оптимального управления муфтами (их выключение и включение) во время движения аппарата. Создан алгоритм обеспечивающий мягкое движение и статическую устойчивость механизма путем выбора набора включенных муфт.

175

7. Составлено дифференциальное уравнение движения механической системы (с использованием уравнением Лагранжа второго рода) с учетом распределенных упруго-инерционных параметров.

8. Решены задачи динамического анализа и синтеза для определения движущего момента, необходимого для реализации заданного программного движения. Такая задача обычно возникает при проектировании аппарата на этапе выбора двигателей и расчета передач.

9. Составлена и исследована математическая модель объекта управления, описывающего его движение с учетом характеристик привода, решена проблема проектирования линейно-квадратичного оптимального регулятора в среде MATLAB для систем непрерывного времени.

1. Амензаде Ю. А. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1971.

2. Андриевский Б. Р., Фрадков А. Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. -СПб.: Наука, 1999. -467 с.

3. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.:Наука, 1968.

4. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Москва :1988.

5. Белецкий В.В. Двуногая ходьба. Модельные задачи динамики и управления М.: Наука 1984.

6. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М.: Высш. шк., 1980. -408 с.

7. Бойко Л.С., Высоцкий А.Э., Кобус Ю.И., Писарев Г.Г. Редукторы и мотор-редукторы общего машиностроения: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. -247 с.

8. Бордюг Б. А., Ларин В. Б., Тимошенко А. Г. Задачи управления шагающими аппаратами. Киев: наука. Думка, 1985.

9. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. -2-е изд., перераб. И доп.-СПб.: Энергоатомиздат. СПб. Отд-ние, 1992. -288 с.

10. Ю.Бурдаков Л. Ф., Первозванский А. А. Динамический расчет электромеханических следящих приводов. -Л.: изд. ЛПИ., 1982. -72 с. П.Бурдаков С. Ф. Элементы теории роботов. Механика и управление. Л.: Изд. ЛПИ, 1985.

11. Бурдаков С. Ф. Математические модели и идентификация роботов с упругими элементами. -Л: ЛГТУ, 1990.-96 с.

12. П.Бурдаков С. Ф., Дьяченко В. А., Тимофеев А. Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. -М.: Высш. шк., 1986. -264 с.

13. Волков Н. И., Миловзоров В. П. Электромашинные устройства автоматики. -М.: Высшая школа, 1986. -335 с.

14. Вульфсон И.И. Динамические расчеты цикловых механизмов. Л.: Машиностроение, 1976. 328 с.

15. Голубев Ю.Ф., Мелкумова Е. В. Об условиях статического равновесия шагающего аппарата в цилиндре. М.: ИПМ РАН, 1997. № 67.

16. Голубев Ю.Ф., Мелкумова Е. В. Условия статической устойчивости шагающего аппарата в горизонтальном цилиндре и на двух плоскостях. Изв. РАН. ТиСУ, 1999. № 2.

17. Голубев Ю. Ф., Погорелов Д. Ю. Компьютерное моделирование шагающих роботов. Фундаментальная и прикладная математика 1998, том 4, №2, с. 525-534.

18. Голубев Ю.Ф., Селенский Е. Е. Ходьба шестиногого шагающего аппарата в горизонтальных цилиндрических трубах с вязким трением. Изв. АН, Теория и системы управления. 1999. № 6.

19. Голышева Е.В., Терешин В.А. Шагающий робот для МЧС. XXVII Неделя науки СПбГТУ. Ч II: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 112 с.

20. Гришин А.А. Житомирский С.В., Ленский А.В. Управление ходьбой двуногого пятизвенного механизма. Изв. АН СССР Теория и системы управления 1999. № 6, с.142-152.

21. Гришин А. А., Житомирский С. В., Ленский А. В. и др. Ходьба аппарата с двумя телескопическими ногами// Изв. АН СССР. Техн. Киберн. 1991. № 2.

22. Динамика управления роботами, /под ред. Е. И. Юревича. -М.: наука, 1984. -336 с.

23. Зайденберг Г.Я. Динамические расчеты балок при ударе. Калинин. 1971. -37 с.

24. Зенкевич О., Морган. К. Конечные элементы и аппроксимация. Пер. с англ. М.: Мир, 1986,—318 с.

25. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботам. М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,2000. -400 с.

26. Ивович В.А. Переходные матрицы в динамике упругих систем. М.: Машиностроение, 1981.-183 с.

27. Кирдяшев Ю.Н. Многопоточные передачи дифференциального типа. -Л.: Машиностроение, 1981. -223 с.

28. Козлов В. Н., Колесников Д. Н., Сиднев А. Г. Решения задач математического программирования / СПбГТУ. СПб. 1994. 104 с.

29. Колесников Д. Н., Душутина Е. В., Пахомова В. И. Введение в MATLAB с примерами решения задач оптимизации и моделирования: Учебное пособие. СПбГТУ. СПб. 1995. 116 с.

30. Коловский М. 3. Теория механизмов и машин. Структура и кинематика механизмов. СПб., 1993.—80 с.

31. Коловский М. 3., А. В. Слоущ. Основы динамики промышленных роботов. М.: Наука. 1988.—240 с.

32. Коновалов Г. В., Коновал енко О. К. Системы автоматического управления с электромагнитными порошковыми муфтами. М., «Машиностроение», 1976.

33. Кудрявцев В.Н., Кирдяшев Ю.Н. Планетарные передачи. -Л.: Машиностроение, 1977. -536 с.

34. Крутько П. Д., Голованов М. А., Большакова И. К. Параметрические адаптивные алгоритмы управления упругими электромеханическими системами. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2000. № 3. С. 80-89.

35. Круглов Ю.А., Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. -Л.: Машиностроение, 1986. -222 с.

36. Курков.С.В. Метом конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов. СПб. 1992.

37. Лазарев Ю. Ф. MATLAB 5.x. -К.: Издательская группа BHV, 2000.-384 С.

38. Ларин В. Б. Управление шагающими аппаратами. Киев: наука. Думка, 1980.

39. Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики, т.2. М.: наука, 1983. -640 с.

40. Морозов И. М., Семенов Е. И., Юревич Е. И. Электромеханические исполнительные системы робототехники. СПб., 1994.

41. Научное наследие П.Л. Чебышева. Вып.2. Теория механизмов. -Л.: Изв-во АНССР,1945.-192с.

42. Новожилов И. В. Управление пространственным движением двуногого шагающего аппаратами// Изв. АН СССР. МТТ. 1984. № 4.

43. Орлов П. И. Основы конструирования: справочно-методическое пособие. В 2-х кн. -М.: Машиностроение, 1988. -560 с.

44. Основы автоматического управления. /Под ред. В. С. Пугачева. -М.: Наука, 1974. -720 с.

45. Основы прикладной теории колебаний и удара/ Я. Г. Пановко. -4-е изд., перераб. и доп. -Л.: Политехника. 1990. -272 с.

46. Охоцимский Д. Е., Голубев Ю. Д. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. М,: Наука, 1984. 312с.

47. Пановко Я. Г. Введение в теорию механического удара. Москва 1977.

48. Первозванский А. А. Курс теории автоматического управления. -М.: Наука, 1986. -615 с.

49. Под общей редакцией Мяченкова. В. И. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. М.: Машиностроение, 1989.

50. Расчеты на прочность в машиностроении. Под ред. С.Д. Пономарева. Т. 3. -М.:1959

51. Смирнов Г. А. Механика машин. -М.: Высш. шк., 1996. -511 с.

52. Справочник по электрическим машинам. В 2т./ С 74 Под общ. Ред. И. П. Копылов и Б. К. Клохова. Т. 1. -М.: Энергоатомизадат, 1988. -456 с.

53. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. -М.: Машиностроение, 1985. -472 с.

54. Троицкий В.А. Матричные методы расчета колебаний стержневых систем. Тр. ЛПИ, 1960, №210.

55. Форманский A.M. Перемещение антропоморфных механизмов. М.:Наука, 1982.

56. Чиликин М. Г. и др. Теория автоматизированного электропривода. -М.: Энергия, 1979. -616 с.

57. Шимкович Д. Г. расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. -М.:ДМК Пресс, 2001.—448 с.

58. Юревич Е. И. Управление роботами и робототехническими системами: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. 168 с.

59. E.Krotkov,R.Simmons. Perception, planning, and control for autonomous walking with the Ambler planetary rover. // Int. J. of Robotics Research. V15,№2,April 1996,155-180.

60. Grishin A.A., Formal' sky A. M., Lensky A. V. et al. Dynamic Walking of a Two Biped Vehicles// Proc. Of Ninth World Congress on Theory of Machines and Mechanisms. Politecnico di Milano, Italy, 1995. V 3.

61. Jorg M.,Martin S. and Manford H. Modeling Simulation, and Model Based Control of Walking Machine ALDURO IEEE/ASME Transaction on Mechatronics. V.5, №.2,200.

62. Kato I., Tsuiki H. The Hydraulically Powered Biped Walking Machine with High Carrying Capacity//Proc.4th.Int.Symp.on Dubrovnik. Yugoslavia, 1972.

63. Miurah., Shimoyama I. Dynamic Walk of a Biped // Int. J. of Robotics Research. 1984.V3 №2.181

64. P.V.Nagy,S.Desa and W.L.Whittaker Energy-based stability measures for reliable locomotion of stable walkers: theory and application // Int. J. of Robotics Research. VI 3,№3,June 1994,272-287.

65. Q.Xiding,G.Yimin and Z.Jide. Analysis of the dynamics of a six-leggs vehicle// Int. J. of Robotics Research. V14,№l,Februaiy 1995,1-8.

66. Raibert M. H. Legged Robots that Balance. Cambridge, MA: MIT Press, 1986.

67. T.C.Hufng. The effect of rotary inertia and of shear deformation on the frequency and normal mode equations of uniform beams with simple end conditions. Journal of applied mechanics. December, 1961.