автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности приводов транспортно-технологической машины с цикловыми шагающими движителями

На правах рукописи

Леонард Александр Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИВОДОВ ТРАНСПОРТНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЦИКЛОВЫМИ ШАГАЮЩИМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ

05.02.02

«Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г ■ .л 2013

005540334

Волгоград - 2013

005540334

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор физико - математических наук, профессор Брискин Евгений Самуилович, зав. каф. «Теоретическая механика» ВолгГТУ.

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

Ющенко Аркадий Семенович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Робототехнические Системы» МГТУ имени Н. Э. Баумана, Академик Международной Академии Информатики;

Карабань Василий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ВолгГТУ.

Институт прикладной математики им. Келдыша РАН.

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 10:00 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. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Наземное транспортное средство может перемещаться в различных эксплуатационных условиях в зависимости от своего целевого назначения. Если этими условиями являются территория с хаотически расположенными препятствиями, то применение машин с традиционными движителями может быть весьма затруднено. Передовыми научными коллективами ведутся исследования по созданию шагающей техники: экзоскелетов (США: компания Raytheon, Япония: компании Cyberdyne и Daiwa Hous), антропоморфных роботов (Япония: компания HONDA, США: компания BostonDynamics), шагающих грузотранспортеров (США: компания BostonDynamics, Финляндия: компания Plustech, Россия: Волгоградский государственный технический университет) соответствующей подобным условиям. При передвижении крупногабаритных грузов по поверхностям с низкой несущей способностью (транспортировка тяжеловесных конструкций промышленного назначения) или территориям, принадлежащим к не возобновляемой категории (торфозаготовка, полевые самоходные системы дождевального орошения) оправдано использование шагающей техники типа машины «Восьминог» (ВолгГТУ). Цикловые сдвоенные шагающие движители в составе привода этой машины отличаются простотой конструкции и управления (одна степень подвижности), но обладают недостатками (отсутствие прямолинейной опорной фазы у траектории характерной точки стопы, неравномерность горизонтальной скорости центра масс корпуса), снижающими энергоэффективность шагающей машины (периодические подъем - опускание, разгон — торможение центра масс корпуса). Поэтому актуальной задачей является создание циклового шагающего движителя с прямолинейной траекторией стопы и постоянной скоростью центра масс корпуса в опорной фазе.

Объект исследования: цикловый механизм шагания с направляющей, как составная часть привода движителя шагающей машины.

Цель исследования: совершенствование привода машины с цикловым шагающим движителем для снижения энергозатрат.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ критериев энергетической эффективности шагающих движителей;

2. Синтез кинематической схемы энергетически эффективного циклового шагающего механизма.

3. Разработка математической модели шагающей машины с движителями на основе синтезированного механизма;

4. Сопоставление результатов натурных и численных исследований;

Научная новизна работы.

1. Предложено и научно обосновано применение циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей, реализующего прямолинейность траектории опорной точки в фазе взаимодействия с грунтом.

2. Определены законы программных режимов движений исполнительных приводов, обеспечивающих перемещение центра масс корпуса шагающей машины вдоль прямой линии (с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания) и отсутствие ударов в приводе поворота при ее плоском движении.

3. Получены условия асимптотической устойчивости программных режимов движения шагающей машины на базе цикловых шагающих механизмов с направляющими вдоль прямой линии с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания.

Положения, выносимые на защиту:

1. Кинематическая схема циклового шагающего механизма с направляющей, реализующего прямолинейную опорную фазу траектории стопы;

2. Методика синтеза циклового шагающего механизма с направляющей;

3. Математическая модель шагающей машины с цикловыми движителями на основе сдвоенных механизмов шагания с направляющими;

4. Методы расчета программных устойчивых, энергоэффективных режимов работы приводов шагающей машины с движителями на базе сдвоенных цикловых механизмов шагания с направляющими.

5. Лабораторная модель циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей и движителя - на его основе.

Методы исследования. Использовались методы теории машин и механизмов, теоретической механики, сопротивления материалов, теории управления техническими системами, оптимизации, планирования эксперимента. Решение дифференциальных уравнений движения осуществлялось методами численного интегрирования при помощи специальных программ и программного инструмента, разработанного автором.

Достоверность научных результатов. Адекватность предложенных методик подтверждается корректностью использования математических методов, согласованностью с научными результатами других авторов и результатами физического моделирования.

Практическая значимость результатов исследования. Синтезированный цикловой механизм с направляющей представляет собой новый механизм [Пат. № 2422317 РФ], который может быть использован, как в составе привода энергоэффективного шагающего движителя, так и в области техники, где требуется преобразование вращательного движения в прямолинейное перемещение исполнительного звена. Предложенные критерии энергоэффективности шагающего движителя и качества цикловых шагаюших механизмов позволяют проводить качественную и количественную оценку

циклового шагающего механизма. С помощью разработанных методик синтеза циклового шагающего механизма с направляющей, силового анализа и расчета на прочность конструкции нового механизма можно создавать цикловые механизмы с направляющей с заданными параметрами соответствующими решаемой задачи. Рассмотренные методики управления шагающим движителем, состоящим из сдвоенных механизмов, позволяют реализовать энергоэффективные режимы работы приводов шагающей машины.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях:

— XII, XIII, XIV, XVI регион, конф. молодых исследователей Волгоградской области (2007 - 2011 гг., Волгоград, ВолгГТУ);

— внутривуз. научн. конф. ВолгГТУ (2008 - 2013 гг., Волгоград, ВолгГТУ)

— IV, V междунар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (2009 г., 2013 г., Волгоград, ВолгГТУ);

— Всероссийская молодежная конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА» (2011 г., Санкт - Петербург, ЦНИИ РТК);

— Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления. МКПУ-2011 (2011 г., с. Дивноморское, Геленджик, Ин-т машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит, систем им. проф. A.B. Каляева ЮФУ);

— Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах - УТЭОСС-2012 (2012 г., Санкт - Петербург, ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор");

— Проблемы механики современных машин,V междунар. конф (2012 г Улан-Удэ, ВСГУТУ);

— Математические методы в технике и технологиях - XXV междунар. науч. конф. (2012 г, Волгоград, ВолгГТУ);

— Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке (2013 г., Ижевск, ИжГТУ им. М. Т. Калашникова).

Общее количество конференций: 17.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 18 печатных работ, из них 4 в периодических издания по списку ВАК РФ. В том числе выдано положительное решение на Пат. 2422317 РФ, МПК В 62 D 57/032. Работа выполнена при поддержке РФФИ и Минобрнауки России, результаты работы нашли отражение в научно - исследовательских отчетах, имеющих государственную регистрацию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации (без списка литературы) - 148 е., в тексте содержится 23 таблицы и 112 рисунков. Список литературы из 133 наименований представлен на 15 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику диссертационной работы, обоснование актуальности темы и формулировку цели исследования. Приводятся сведения об апробации, публикациях и практической значимости результатов работы.

В первой главе обосновывается актуальность применения шагающих машин, приводится классификация и сведения о современной шагающей технике. Проводится анализ существующих образцов шагающих движителей, представленных в международных патентных документах. Анализируются достоинства, недостатки сдвоенных шагающих механизмов машины «Восьминог» (рис. 1, а) и пути их совершенствования. Выработаны критерии энергетически эффективного циклового шагающего механизма.

Формулируется цель и задачи исследования по повышению энергетической эффективности приводов машины с цикловыми шагающими движителями.

Вторая глава посвящена вопросу синтеза циклового шагающего механизма с направляющей, удовлетворяющего предъявляемым требованиям.

Основным критерием улучшения свойств циклового механизма является прямолинейность траектории опорной точки С механизма шагания в фазе взаимодействия с грунтом при максимальном коэффициенте режима (отношении временной продолжительности фазы опоры к фазе переноса).

Рис. 1. а) Шагающий движитель машины «Восьминог» на базе циклового шагающего механизма ЧебышеваУм нова, б) Кинематическая схема механизма Чебышева- Умнова и синтезируемого механизма.

На рис. 1:1'— кривошип, 2 — шатун, 3 — стопа, 4 — коромысло, 5 — направляющая, 6 — ролик. Для этого в кинематической схеме (рис. 1, б) механизма Чебышева - Умнова коромысло — 4 заменяется на криволинейную направляющую — 5, подлежащую определению и жестко связанную с корпусом механизма, по которой перемещается ролик — 6, соединенный с шатуном — 2.

I

б)

Ставится условие максимизации радиуса кривизны траектории точки В, обеспечения максимально возможного коэффициента режима и высоты подъема стопы на этапе переноса. Таким образом, критерием оптимизации является линейная функция:

I =к

+ к.

ач-а-2л

+ к.

ІШП

г

(1)

где к[, к2, к3 — весовые коэффициенты, отражающие приоритетность параметров синтезируемого механизма в соответствии с техническим заданием, г — длина кривошипа, Н— максимальная высота подъема стопы, а, — угловая координата кривошипа, соответствующая началу опорной фазы (т. С,); а 3 — угловая координата кривошипа, соответствующая концу опорной фазы (т. С2).

В результате синтеза, при весовых коэффициентах к, = 7, к2 = 1, к3 = 1, был получен цикловый шагающий механизм с направляющей (рис. 2), имеющий следующие параметры: г = 0,264 м; Р5 =0,608 м; р, = 0,706 м; у = 61,11; / = 15,82. Для циклового механизма шагающей машины «Восьминог»

0,62 м; р^ =0,718 м; у0 =54,65°; 1° =17,06.

При малой скорости перемещения основные энергетические затраты шагающей машины «Восьминог» обусловлены работой против силы тяжести машины и работой, затраченной на необратимую деформацию грунта. В качестве базового критерия, позволяющего провести оценку энергетической эффективности привода

модифицированной машины с синтезированными механизмами (при их согласованном управлении и малой курсовой

Рас. 2. Цикловый шагающий механизм с направляющей скорости корпуса) путем сравнения с приводом машины «Восьминог», предложено соотношение (2), гае А —■' высота подъема центра масс корпуса машины «Восьминог»; Ь — длина шага

А_ А'

А +

/

1

Р 8Р 2

. I М + т =-.

Ь т

циклового механизма Чебышева - Умнова, ¿* — длина шага механизма с направляющей (оба механизма имеют одинаковую длину кривошипов), / — глубина прессования грунта под стопами шагающих машин, /г — высота подъема стоп для модифицированных движителей над поверхностью земли, хпет — максимальная горизонтальная скорость стопы в фазе переноса относительно корпуса, М,т — масса корпуса и переносимых стоп, А — работа, затрачиваемая на подъем центра масс корпуса машины и необратимую деформацию грунта при использовании циклового механизма Чебышева -Умнова, А* — работа, совершаемая приводом модифицированной машины по преодолению силы тяжести переносимых стоп, силы инерции стоп вдоль горизонтальной оси и силы сопротивления прессуемого грунта. Расчет работ осуществляется за одинаковый пройденный путь Б.

4ГЯ) / Л т А=0,056 Г <1 км/ ч

13

Рис. 3. Энергоэффективностъ сравниваемых механизмов Согласно (2) и Рисунку 3 (кривая — 1) привод модифицированной машины (снаряженная масс М равна 4500 кг, масса переносимых стоп - 160 кг) с синтезированным механизмом и управлением, обеспечивающим постоянство курсовой скорости и отсутствие вертикальных колебаний корпуса на 10% энергетически эффективней привода машины «Восьминог» при движении по жесткой поверхности (/ <0.01 м). Если уменьшить массу переносимых стоп в

четыре раза (кривая — 2), что практически достижимо, то энергетические затраты модифицированной машины будут в три раза меньше затрат машины «Восьминог» при движении по жесткой поверхности и - до 50% на относительно мягкой (0.012 / <; 0.05 л<). Применение механизма с длиной шага равной длине шага механизма «Чебышева - Умнова» и массой переносимых стоп до 40 кг (кривая — 3) обеспечит снижение энергетических затрат привода шагающей машины более чем на 50% не зависимо от типа грунта (0< / 20.25л(). Установлено, что привод модифицированной машины, состоящий из двух двигателей, потребляет половину электрической мощности привода машины «Восьминог» (один двигатель на пару механизмов шагания).

02 /, м 0,25

В третье главе исследуется влияние режимов работы привода движителя образованного сдвоенными синтезированными механизмами на динамику движения шагающей машины. Рассматриваются две возможные кинематические схемы привода шагающего движителя: одномоторное управление сдвоенными синтезированными механизмами через самоблокирующийся дифференциал и согласованное управление сдвоенными механизмами посредством пары двигателей постоянного тока. Решается зада устойчивого поступательного движения центра масс корпуса шагающей машины вдоль прямой линии и безударного поворота.

Применение схемы привода с дифференциалом позволяет устранить вертикальные колебания центра масс корпуса шагающей машины, обусловленные не одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов, но не устраняет проскальзывание стоп и неравномерность курсовой скорости машины. Добиться отсутствия неравномерности горизонтальной скорости движения у шагающей машины (порождающей горизонтальные инерционные нагрузки) и проскальзывания стоп можно при помощи соответствующего управления двигателями, приводящими в движение пару механизмов, образующих движитель (рис. 4). В качестве исходных уравнений, описывающих динамику движения шагающей машины, используются уравнения Лагранжа II рода с множителями.

При составлении уравнений динамики учитывалась только кинетическая энергия корпуса Г, и центра масс системы шатун-

Рис. 4 Расчетная схема для составления уравнений динамики

стопа 16, вдоль оси Пренебрегается энергиями движений: —

перемещающихся х (рис. 5). кинетическими вращательных

кривошипов, Т2

— роторов двигателеи, Т} — шатуна для механизма шагания, находящегося в фазе опоры, Т4

— системы шатун-стопа относительного их общего центра масс для механизма шагания в переносе, а также кинетической энергией Г5

центра масс системы шатун-Рис. 5 Процентный вклад слагаемых стопа при его перемещении кинетической энергии машины вдоль оси Су.

Уравнения динамики движения машины в развернутой форме принимают вид:

Т, т

(М + т)х, + тх, =-Р + Х,,тх, +тх, = А,,, О = Ь. + 0 = 1, -X,ЁИк у ' 1 ' 11 " 2 1 1 За, 2 2 да2 : (3)

М = МХ + 2т1, т = т2 + т}, где х, — горизонтальная координата оси вращения кривошипа (т. О) в абсолютной системе координат Сху, х2 — горизонтальная координата центра масс системы шатун-стопа (т. С') в относительной системе координат Охауа, а,, а2 — угловые координаты для механизма, находящегося в опоре и в переносе соответственно, Xj —неопределенные множители Лагранжа, Мх, щ, т2, т3— масса корпуса машины, кривошипа, шатуна, стопы, Р — сила сопротивления, приложенная к корпусу шагающей машины; Ьх, Ь2 — моменты, развиваемые двигателями, обеспечивающими движение машины и перенос механизма шагания. Я, (а,), #2(а2)— функции положения стопы и центра масс системы шатун - стопа относительно оси вращения кривошипа.

С целью выполнения условий — отсутствия проскальзывания стоп относительно грунта, вертикальных колебаний корпуса и минимизации инерционных нагрузок в качестве закона изменения а2 принимаются функции, удовлетворяющие поставленным условиям:

Т

а, = <40> + а'0)/ + 0.5• е/, 0<г<т; а2 = а2|;=г + а2|/=гI + 0.5• ё2/2,0<к--х,

£2 =(Да,-2я-(Г/4+т /2)а(20) -{Т /4 + т /2)а«ч)/(тГ/4) (4)

б2 = (а'/: (Г / 2-х), а2|г=г = (Да, - 2я + т/ 2 • а™ - (Г / 4 - г / 2)а®) / (Г / 4)

где «20) и а20)— значения углового положения и угловой скорости кривошипа в начальный момент времени; а™ и ¿4° —- значение углового положения и угловой скорости кривошипа на входе в опорную фазу. При выходе на стационарный режим работы движителя, <х(20> = а22), а(20) = о'22), где а22), а22' — значения угловой координаты и скорости кривошипа на выходе из опорной фазы, Да,1— продолжительность фазы опоры по углу, а т задается равным Т/4.

В случае применения в приводе двигателей постоянного тока, характеризующихся статическими характеристиками:

Ь1=у,и1-у2а{, ¿2=у,С/2-у2а2, (5)

управляющие напряжения с учетом (3, 4) Г/„ II2 изменяются скачком (рис. 6).

Где У) и У2 — параметры двигателей постоянного тока. При расчете значений управляющих воздействий использовались приближенные параметры макета шагающей машины: М = 21 кг; т = 0.4 кг; = 5.1 Н ■ м / В; у2 -153 кг ■ м2 / с; Р = 50#.

Исследование уравнений (3-5) на устойчивость по первому приближению показало, что для математической модели, получающиеся нестационарные коэффициенты уравнений ошибок:

So,+8,(/)5ct,+ т, (/)5а, = О, i = 1,2

(6)

Tí;, В

' \Н)/ + /

{ / '■'.О \

\

Рис. 6 Управляющие напряжения

предложенной системой управления устойчиво <¿

не удовлетворяют условиям

асимптотической устойчивости движения машины. В расчете используется упрощенная модель динамики движения машины, поэтому в систему управления вводятся обратные связи по угловым координатам и ускорениям (рис. 7). Расчет с добавленными в уравнения (6) коэффициентами обратных связей показывает, что движение машины с

Задаюш^е ь'ДО

устройство! _/

усилитель

U,(t)

\ _ Двигатель

/

Шагающий механизм

Блок определения

а,

A U.

AU;

ли> = = УхМ,

Рис. 7 Структурно - функциональная схема системы управления приводом

движителя

Плоское движение шагающей машины (рис. 8) задается уравнениями:

¡Vm=VM(/);

< П\

1 £í = íl(r),

тогда дифференциальные уравнения, описывающие работу системы приводов, (линейного и поворотного) имеют вид:

р =((pcosy + hs'm\\i)VM +(psinv/±Acos\|/)íl/?)/p,

(8)

v¡/ = -Q + (QR eos\|/ - VM sin V) / p.

В этом случае перемещение машины будет сопровождаться ударами в приводе поворота движителя относительно корпуса (рис. 9). Где — угол между осями х, и х2; р — расстояние между т. С]{2) и £1(J) ( р = р1(2)); Ум — скорость точки М корпуса машины; Q — угловая скорость поворота корпуса; /г — расстояние между т. D и т. ЕЦ2); R — расстояние между т. М и т. D, VM — линейная скорость т. М/ D — угловая скорость корпуса.

G

+oo

Рис. 8 — Кинематическая схема шагающей машины ОЛ соб м/ - ¥м зіп ц/^ =0

в момент переступання движитель должен поступательное движение

Ф = П + \{/ = 0.

На рис. 8: 1, 2 -шагающие механизмы; 3 - корпус; 4 -неуправляемые колеса; х, у - неподвижные оси; х,, у1 - подвижные оси, связанные с корпусом; хг, уг - подвижные оси, связанные с движителем. В соответствии с полученным условием безударного движения шагающей машины

(9)

совершать мгновенно (10)

В четвертой главе отражены результаты экспериментального исследования циклового

шагающего механизма с направляющей и движителя на его базе.

На основе результата моделирования циклового

шагающего механизма была создана действующая лабораторная модель в масштабе 1:2 (рис. 10, а), состоящая из: кривошипа — 1; несущей рамы — 2; аккумулятора — 3; опорных катков — 4; двигателя постоянного тока — 5; шарикоподшипника — 6; направляющей -— 7; шатуна — 8; сменной стопы — 9. Экспериментально полученная кривая незначительно отличается от теоретической относительной траектории т. С стопы (L,neoP.1 L,KCn. = 0,96; Нтеор / Нжт = 0,99). Параметры лабораторной модели:

Мкчр=13,37 кг (масса корпуса); ТП]= 0,16854 кг (масса кривошипа); т4= 0,316 кг (масса стержня АВ); mj=0,316 кг (масса балки, перпендикулярной к АВ); т}=0,2 кг (масса стопы); г = 0,1316 м; р / -0,3048 м; £^=0,171 м (расстояние между точкой А и точкой крепления балки, несущей стопу); рз =0,353 м; ¿=-0,41 м; аI =-1,34; а2~ -2,18; сМ),01 м (диаметр шарниров); 7= 1,066.

Рис. 9 - График функции у - \j/(/) для режима: VM =0,05 м/с; £1 = 0,02 рад!с

Рис. 10. а) Лабораторная модель циклового шагающего механизма с направляющей б) Движитель При помощи Н - мостовых схем управления двигателями постоянного тока на биполярных транзисторах и микроконтроллера Atmega2560 была осуществлена идентификация параметров привода курсового движения для правого и левого борта шагающего движителя (рис. 10. б; рис. 11, 12). Полученные характеристики позволят осуществить корректное регулирование любого из режимов работы привода движителя. Где i — уровень напряжения, генерируемый цифровой системой управления. Проведенные эксперименты по реализации энергетически эффективного перемещения физической модели движителя подтвердили теоретические выводы о необходимости наличия обратной связи в системе управления.

и, В ,2__________________________________________

50 100 150 200 250 300

Рис. J 1 - Характеристика управления приводами курсового движения

Рис. ¡2 Статические характеристики приводов курсового движения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для квазистатического режима движения шагающей машины, синтезированный цикловый механизм шагания с направляющей обеспечивает повышение энергетической эффективности привода до определенной глубины прессования грунта под стопами. Увеличение площади опорной поверхности стоп уменьшает глубину прессования грунта, тем самым расширяя область применения привода с синтезированным механизмом, как более энергетически эффективного по сравнению с приводом машины «Восьминог».

2. Предложенная кинематическая схема циклового шагающего механизма с прямолинейной опорной фазой исключает энергетические затраты, связанные с несовершенством траектории стопы механизма - прототипа.

3. Разработана методика синтеза циклового шагающего механизма с направляющей. Предложены критерии сравнения.

4. Создана математическая модель динамики перемещения движителя на базе пары синтезированных цикловых шагающих механизмов, которая позволяет реализовать поступательное (без вертикальных перемещений и неравномерности горизонтальной скорости корпуса) энергетически выгодное движение шагающей машины.

5. Установлено, что система управления с обратными связями по угловым координатам и ускорениям позволяет реализовать устойчивые режимы работы приводов, обеспечивающие энергетически эффективное движение шагающей машины.

6. Произвольно заданное плоское движение корпуса шагающей машины порождает ударные нагрузки в поворотном приводе движителя, состоящего из двух соединенных в пару шагающих механизмов, звенья которых совершают плоскопараллельное перемещение. Предложен алгоритм управления, обеспечивающий безударное функционирование привода шагающей машины.

7. Функционирующая модель циклового шагающего механизма с направляющей подтверждает адекватность предложенной методики синтеза подобных механизмов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих 18 работах (из общего числа 19 печатных работ):

Статьи в периодических гаданиях перечня ВАК

1. Леонард, A.B. Цикловой механизм шагания с направляющей / Леонард A.B. // Известия вузов. Машиностроение. - 2011. - № 10. - С. 18-22;

2. Брискин, Е.С. Устойчивость поступательного движения шагающей машины с цикловыми движителями / Е.С. Брискин, A.B. Леонард // Изв. РАН. Теория и системы управления. - 2013. - № 6. - С. 131-138;

3. Леонард, A.B. Особенности движения шагающей машины с поворотным движителем, образованным сдвоенными механизмами шагания / Леонард A.B., Брискин Е.С. // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления,

вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 16 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 8 (111). - С. 86-91;

4. Леонард, A.B. Цикловый шагающий движитель с направляющими. Свойства. Управление. Пути совершенствования / Леонард A.B. // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 16 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 8 (111). - С. 81-85.

Патенты, свидетельства РФ

5. Пат. 2422317 РФ, МПК В 62 D 57/032. Шагающая опора для многоопорных самоходных машин и для транспортных средств повышенной проходимости / Леонард A.B., Брискин Е.С.; ВолгГТУ. - 2011;

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ за № 2013614123 «Автоматизированная система определения параметров программного и супервизорного управления шагающей машиной со сдвоенными ортогонально - поворотными движителями».

Статьи и доклады в российских изданиях

7. Леонард, A.B. Движение шагающей машины с поворотным движителем, образованным сдвоенными механизмами шагания / Леонард A.B., Брискин Е.С. // Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке : сб. науч. тр. всерос. науч.-техн. конф. аспир., магистр, и молод, учёных с междунар. участ. (Ижевск, 23-25 апр. 2013 г.) / ИжГТУ им. М.Т. Калашникова.

Ижевск, 2013. - С. 354-358.

8. Динамика и управление шагающими роботами / Леонард A.B., Колесов А.М., Брискин Е.С., Малолетов A.B. // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 105-109.

9. Брискин, Е.С. Дифференциальный привод цикловых шагающих движителей / Брискин Е.С., Леонард A.B. // Прогресс транспортных средств и систем - 2009: матер, междунар. н.-пр. конф., Волгоград, 13-15 окт. 2009 г.: в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - С. 173-174.

10. Леонард, A.B. Критерии оценки циклового шагающего механизма с направляющей / Леонард A.B., Брискин Е.С. // XVI региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8-11 ноября 2011 г. : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2012. - С. 59-61.

11. Об управлении поворотом шагающих машин со сдвоенными движителями [Электронный ресурс] / Брискин Е.С., Малолетов A.B., Шаронов Н.Г., Леонард A.B., Мироненко К.Б. // Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах - УТЭОСС-2012 : матер, конф. (Санкт-Петербург, 9-11 окт. 2012 г.) : в рамках 5-й рос. мультиконф. по пробл. управления / ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор" [и др.]. - СПб., 2012. - 1 электрон. опт. Диск (CD-ROM). - С. 698-701.

12. Обеспечение заданных режимов перемещения шагающих движителей / Леонард A.B., Колесов А.М., Брискин Е.С., Малолетов A.B. // XIV

региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010.

С. 77-81.

13. Леонард, A.B. Особенности поступательного движения шагающей машины с движителями на базе циклового шагающего механизма с направляющей / Леонард A.B., Брискин Е.С. // Проблемы механики современных машин : матер. V междунар. конф., 25-30 июня 2012 г. / Восточно-Сибирский гос. ун-т технологий и управления (ВСГУТУ) [и др.]. - Улан-Удэ, 2012. - Т. 3. - С. 224227.

14. Леонард, A.B. Поступательное движение шагающей машины с цикловыми движителями новой конструкции / Леонард A.B. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ—25 : сб. тр. XXV междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 3. Секция 5 (г. Волгоград, 29-31 мая 2012 г.) / ВолгГТУ [и др.]. - Саратов, 2012.-С. 156-157.

15. Леонард, A.B. Построение системы управления для физической модели цикло - поворотного движителя / Леонард A.B. // Прогресс транспортных средств и систем - 2013 : матер, междунар. науч.-практ. конф., Волгоград, 24-26 сент. 2014 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2013. - С. 325-326.

16. Леонард, A.B. Разработка механизма шагания с направляющим элементом / Леонард A.B., Брискин Е.С. II XII региональная конференция молодых исследователей Волгогр. обл., г. Волгоград, 13-16 нояб. 2007 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2008. - С. 118-119.

17. Брискин, Е.С. Синтез циклового шагающего механизма с направляющей и критерии его оценки / Брискин Е.С., Леонард A.B., Малолетов A.B. // Теория механизмов и машин. - 2011. - Т. 9, № 1. - С. 14-24.

18. Шагающие машины со сдвоенными механизмами шагания / Брискин Е.С., Шурыгин В.А., Серов В.А., Шаронов Н.Г., Леонард A.B., Колесов А.М. // Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления. МКПУ-2011 (с. Дивноморское, Геленджик, 3-8 окт. 2011 г.) : матер. / Ин-т машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит, систем им. проф. A.B. Каляева ЮФУ [и др.]. - М. ; Таганрог, 2011. -Т. 2.-С. 185-189.

Подписано в печать 14.11.2013 г. Заказ № 769. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

Волгоградский государственный технический университет

04201455686

^ На правах рукописи

Леонард Александр Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИВОДОВ ТРАНСПОРТНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЦИКЛОВЫМИ ШАГАЮЩИМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ

Специальность 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор

Е.С.Брискин

Волгоград, 2013

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................4

1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ШАГАЮЩИХ МАШИН И АНАЛИЗ ДВИЖИТЕЛЕЙ................................................................................9

1.1 Актуальность крупногабаритной шагающей техники и ее классификация ...........................................................................................................................................9

1.2 Анализ шагающих движителей и механизмов................................................16

1.3 Характеристики сдвоенных цикловых механизмов Чебышева - Умнова, влияющие на энергетику привода шагающей машины.....................................20

1.4 Обзор мер по повышению энергетической эффективности сдвоенных цикловых механизмов шагания...............................................................................30

2 ЦИКЛОВЫЙ ШАГАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ С НАПРАВЛЯЮЩЕЙ..............37

2.1 Синтез......................................................................................................................37

2.2 Энергетическая эффективность шагающей машины «Восьминог» и машины с синтезированными механизмами шагания.......................................41

2.3 Силовой анализ механизма.................................................................................46

2.4 Прочностной расчет синтезированного механизма.......................................50

2.5 Критерии сравнения сдвоенных цикловых механизмов шагания.............76

3 УПРАВЛЕНИЕ ШАГАЮЩЕЙ МАШИНОЙ НА БАЗЕ ЦИКЛОВОГО ШАГАЮЩЕГО МЕХАНИЗМА С НАПРАВЛЯЮЩЕЙ..................................80

3.1 Шагающий движитель с одномоторным приводом.......................................80

3.2 Энергоэффективное поступательное движение шагающей машины при согласованном управлении синтезированных механизмов, образующих

движитель.....................................................................................................................84

3.2.1 Постановка задачи..........................................................................................84

3.2.4 Законы программных движений кривошипов.........................................90

3.2.5 Управляющие воздействия...........................................................................93

3.2.6 Устойчивость программного движения машины....................................94

3.3 Плоское движение шагающей машины при согласованном управлении сдвоенных шагающих механизмов..........................................................................99

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ......................................................................................................................107

4.1 Физическая модель синтезированного механизма.......................................107

4.2 Построение системы управления.....................................................................110

4.3 Проектирование и реализация элементов системы управления..............112

4.4 Программный способ реализации обратной связи по ускорению............119

4.5 Программная часть системы управления.....................................................131

4.6 Идентификация параметров физической модели движителя...................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................145

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Наземное транспортное средство может перемещаться в различных эксплуатационных условиях в зависимости от своего целевого назначения. Если этими условиями являются территория с хаотически расположенными препятствиями, то применение машин с традиционными движителями может быть весьма затруднено. Ведутся исследования передовыми научными коллективами по созданию шагающей техники: экзоскелетов (США: кампания Raytheon, Япония: кампании Cyberdyne и Daiwa Hous), антропоморфных роботов (Япония: кампания HONDA, США: кампания BostonDynamics), шагающих грузотранспортеров (США: кампания BostonDynamics, Финляндия: кампания Plustech, Россия: Волгоградский государственный технический университет) соответствующей подобным условиям. При передвижении крупногабаритных грузов в виде моноблоков, в том числе, по поверхностям с низкой несущей способностью (транспортировка тяжеловесных конструкций промышленного назначения) или территориям, принадлежащим к не возобновляемой категории (торфозаготовка, полевые самоходные системы дождевального орошения) оправдано использование шагающей техники типа машины «Восьминог» (ВолгГТУ). Цикловые шагающие движители в составе привода этой машины отличаются простотой управления (одна степень подвижности), но обладают недостатками (отсутствие прямолинейной опорной фазы у траектории характерной точки стопы, неравномерность горизонтальной скорости центра масс корпуса), снижающими энергоэффективность шагающей машины. Поэтому актуальной задачей является создание циклового шагающего движителя с прямолинейной траекторией стопы и постоянной скоростью ц. м. корпуса в опорной фазе.

В связи с этим целью диссертационного исследования является совершенствование привода машины с цикловым шагающим движителем для снижения энергозатрат.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ критериев энергетической эффективности шагающих движителей;

2. Синтез кинематической схемы энергетически эффективного циклового шагающего механизма.

3. Разработка математической модели шагающей машины с движителями на основе синтезированного механизма;

4. Сопоставление результатов натурных и численных исследований;

Научная новизна работы.

1. Предложено и научно обосновано применение циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей, реализующего прямолинейность траектории опорной точки в фазе взаимодействия с грунтом.

2. Определены законы программных движений исполнительных приводов, обеспечивающих энергоэффективное перемещение центра масс корпуса шагающей машины вдоль прямой линии (с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания) и отсутствие ударов в приводе поворота при ее плоском движении.

3. Получены условия асимптотической устойчивости программных режимов движения шагающей машины на базе цикловых шагающих механизмов с направляющими вдоль прямой линии с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания.

Теоретическая и практическая значимость. Синтезированный цикловой механизм с направляющей представляет собой новый механизм, который может быть использован, как в составе привода энергоэффективного шагающего

движителя, так и в области техники, где требуется преобразование вращательного движения в прямолинейное перемещение исполнительного звена. Предложенные критерии энергоэффективности шагающего движителя и качества цикловых шагающих механизмов позволяет проводить качественную и количественную оценку циклового шагающего механизма. С помощью разработанных методик синтеза циклового шагающего механизма с направляющей, силового анализа и расчета на прочность конструкции нового механизма можно создавать цикловые механизмы с направляющей с заданными параметрами, соответствующими решаемой задачи. Рассмотренные методики управления шагающим движителем, состоящим из сдвоенных механизмов, позволяют реализовать энергоэффективные режимы работы приводов шагающей машины.

Методы исследования. Использовались методы теории машин и механизмов, теоретической механики, сопротивления материалов, теории управления техническими системами, оптимизации, планирования эксперимента. Решение дифференциальных уравнений движения осуществлялось методами численного интегрирования при помощи специальных программ и программного инструмента, разработанного автором.

Положения, выносимые на защиту:

1. Кинематическая схема циклового шагающего механизма с направляющей, реализующего прямолинейную опорную фазу траектории стопы;

2. Методика синтеза циклового шагающего механизма с направляющей;

3. Математическая модель шагающей машины с цикловыми движителями на основе сдвоенных механизмов шагания с направляющими;

4. Методы расчета программных устойчивых, энергоэффективных режимов работы приводов шагающей машины с движителями на базе сдвоенных цикловых механизмов шагания с направляющими.

5. Лабораторная модель циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей и движителя - на его основе.

Достоверность научных результатов. Адекватность предложенных методик подтверждается корректностью использования математических методов,

согласованностью с научными результатами других авторов и результатами физического моделирования.

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях:

— XII, XIII, XIV, XVI регион, конф. молодых исследователей Волгоградской области (2007 - 2011 гг., Волгоград, ВолгГТУ);

— внутривуз. научн. конф. ВолгГТУ (2008 - 2013 гг., Волгоград, ВолгГТУ)

— IV междунар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (2009 г., Волгоград, ВолгГТУ);

— Всероссийской молодежной конференции «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА» (2011 г., Санкт - Петербург, ЦНИИ РТК );

— Четвёртой Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. МКПУ-2011 (2011 г., с. Дивноморское, Геленджик, Ин-т машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит, систем им. проф. A.B. Каляева ЮФУ);

— Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах - УТЭОСС-2012 (2012 г., Санкт - Петербург, ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор");

— Проблемы механики современных машин,V междунар. конф. (2012 г., Улан-Удэ, ВСГУТУ);

— Математические методы в технике и технологиях - XXV междунар. науч. конф. (2012 г, Волгоград, ВолгГТУ);

— Молодые учёные - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке (2013 г., Ижевск, ИжГТУ им. М. Т. Калашникова);

— Международная научно — практическая конференция «Прогресс транспортных средств и и систем - 2013» (2013 г., Волгоград, ВолгГТУ).

Общее количество конференций: 18.

По результатам диссертационного исследования опубликовано 18 печатных работ, из них 4 в периодических изданиях по списку ВАК РФ:

1. Леонард, A.B. Цикловой механизм шагания с направляющей / Леонард A.B. // Известия вузов. Машиностроение. - 2011. - № 10. - С. 18-22;

2. Брискин, Е.С. Устойчивость поступательного движения шагающей машины с цикловыми движителями / Е.С. Брискин, A.B. Леонард // Изв. РАН. Теория и системы управления. - 2013. - № 6. - С. 131-138;

3. Леонард, A.B. Особенности движения шагающей машины с поворотным движителем, образованным сдвоенными механизмами шагания / Леонард A.B., Брискин Е.С. // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, 15 вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 16 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 8 (111). - С. 86-91;

4. Леонард, A.B. Цикловый шагающий движитель с направляющими. Свойства. Управление. Пути совершенствования / Леонард A.B. // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 16 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 8 (111). - С. 81-85.

В том числе выдано положительное решение на Пат. 2422317 РФ, МПК В 62 D 57/032. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ за № 2013614123 «Автоматизированная система определения параметров программного и супервизорного управления шагающей машиной со сдвоенными ортогонально - поворотными движителями».

Исследования поддержаны грантами РФФИ № 12-08-31375 мол_а, № 1201-31398 мол_а, № 13-01-90710 мол_рф_нр, № 11-08-00955.

1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ШАГАЮЩИХ МАШИН И

АНАЛИЗ ДВИЖИТЕЛЕЙ

1.1 Актуальность крупногабаритной шагающей техники и ее классификация

Обычно наземные транспортные системы имеют колесные или гусеничные движители, так как их наличие позволяет достичь высокой скорости передвижения транспортного средства. Традиционные движители просты в управлении и характеризуются отсутствием энергетических затрат, идущих на перемещение центра тяжести машины вдоль вертикальной оси, при движении транспортного средства по горизонтальной ровной поверхности. Однако, известны такие эксплуатационные ситуации, когда использование подобных движителей нецелесообразно, неэффективно, а порой даже и невозможно. Движение транспортно — технологического средства по поверхностям со слабонесущей способностью и ранимым почвенным покровом (пески, болота, тундра и др.) [19, 22, 39, 55, 76]. Передвижение машины по сильно пересеченной местности с препятствиями сопоставимыми по размерам с клиренсом транспортного средства (хаотические нагромождения, лесные массивы и т. д.) [30, 56, 61, 72, 74, 79, 105]. Поэтому важным направлением является исследование новых типов движителей и в частности шагающих [15, 38, 93, 99, 116, 126].

Идеи об автономных машинах восходят к Герону Александрийскому. Им придуманы и изготовлены самодвижущиеся платформы, которые перемещались за счет силы тяжести груза, размещенного на платформе. Первые документированные и не безуспешные попытки создать шагающие аппараты принадлежат Леонардо да Винчи. В 1500 - ом году Леонардо строит механического льва, который при въезде короля Франции в Милан выдвигался с гербом Франции. В 19 - ом веке П. Л. Чебышевым создается стопоходящая машина. В этой машине вращательное движение преобразовывалось в

практически прямолинейное движение стоп на заданном участке их относительной траектории (Рисунок 1.0).

Рисунок 1.0 — Стопоходящая машина П. JT. Чебышева Вопросами исследования и разработки шагающих машин / робототехнических комплексов и движителей в СССР и современной России активно занимались / ются): Д. Е. Охоцимский, Ю. Ф. Голубев, В. В. Белецкий, А. М. Формальский, В. В. Лапшин, Е. И. Юревич, А. С. Ющенко, В. Е. Павловский, А. К. Платонов, Н. В. Умнов, А. П. Бессонов, И. А. Каляев, С. Г. Капустян, Е. С. Брискин, В. В. Жога, В. В. Чернышев, А. В. Малолетов, А. С. Горобцов, Н. Г. Шаронов, Я. В. Калинин, А. Е. Гаврилов.

Проводя анализ современного мирового опыта по созданию транспортно -технологических комплексов с шагающим принципом перемещения, можно выделить следующие активно формирующиеся области применения шагающей техники.

1) Экзоскелеты — биомеханические костюмы, значительно увеличивающие силовые возможности человека.

Экзоскелеты серии XOS (Рисунок 1.1) кампании Raytheon, занимающейся вопросами обороны и аэронавтики США, предназначены для выполнения военными логистами операций погрузки. Предполагается, что усовершенствованный тип XOS 2, будет использоваться, как средство транспортировки тяжелой военной амуниции и вооружения. Экзоскелеты XOS

приводятся в движение гидравлическими приводами, образующими вместе с сенсорами сокращения мышц единую систему. Кибернетическая система ХОБ 2 позволяет увеличить в 17 раз развиваемое человеком усилие. Максимальная скорость передвижения ХОЭ 2 составляет 4,8 км/ч. Основной проблемой, сдерживающей внедрение образцов ХОБ в армию, как экипировки солдат, является отсутствие малогабаритных легких источников питания требуемой мощности [101].

Рисунок 1.1 — Экзоскелет XOS 2 кампании Raytheon Кампании Cyberdyne и Daiwa Hous (Япония) разработали экзоскелеты серии HAL («гибридные вспомогательные конечности»). Целью создания HAL (Рисунок 1.2) стала эффективная реабилитация больных с проблемами опорно-двигательной системы.

Наличие портативного аккумулятора закрепленного на поясе оператора обеспечивает 2 ч. 40 мин автономной работы костюма при номинальной нагрузке, соответствующей физиологии здорового человека. Коэффициент усиления экзоскелета составляет 10 единиц [131].

Рисунок 1.2 — Экзоскелеты серии HAL кампаний Cyberdyne и Daiwa Hous 2) Антропоморфные роботы — роботы с элементами искусственного интеллекта, выполняющие широкий спектр задач с целью замещения человеческих трудовых ресурсов.

Передовые разработки в данной области принадлежат японской кампании HONDA. Последняя версия андроида (Рисунок 1.3) серии ASIMO способна: обходить движущиеся препятствия; перемещаться по неровной поверхности; выполнять технологические операции соответствующие мелкой моторике человека; двигаться прыжками на одной ноге в разных направлениях; бежать со скоростью 9 км/ч; распознавать речь одновременно говорящих людей и распределять задачи в группе взаимодействующих андроидов [95].

Рисунок 1.3 — Последняя версия андроида серии ASIMO кампании HONDA Антропоморфный робот PETMAN (Рисунок 1.4) кампании BostonDynamics является первой моделью, имитирующей динамику движения человека. Данный

образец способен динамически устойчиво ходить, и совершать сложные комплексные движения конечностями. РЕТМАМ спроектирован, как стенд тестирования костюмов химической защиты, и приводится в движение от внешнего источника питания [121].

Рисунок 1.4 — Антропоморфный робот РЕТМАЫ кампании ВозЮпОупагтсэ 3) Шагающие грузотранспортеры — шагающие машины, предназначенные для перемещения поклажи или промышленных объектов.

К�