автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка методов снижения энергозатрат в приводах робота с ортогональным движителем

005058468

На правах рукописи

Гаврилов Андрей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ В ПРИВОДАХ РОБОТА С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ

05.02.02. - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

Волгоград - 2013

005058468

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

Жога Виктор Викторович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лапынин Юрий Геннадьевич Волгоградский колледж газа и нефти ОАО «Газпром», директор;

кандидат технических наук, доцент Карабань Василий Григорьевич Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Технология машиностроения».

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО "Волгоградский

государственный аграрный

университет", г. Волгоград.

Защита диссертации состоится «04» июня 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.028.06 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.

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

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

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

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

Объект исследования.

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

Цель и основные задачи.

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

разработка методов снижения энергозатрат на его перемещение.

В рамках достижения поставленной цели решены следующие задачи:

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

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

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

4. Синтез оптимального закона программного перемещения звеньев механизма шагания.

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

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

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

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

Научная новизна.

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

3

4

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

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

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

Положения выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

Практическая значимость результатов исследования.

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

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

Разработан метод снижения энергозатрат на курсовое перемещение робота с использованием в конструкции робота упругих элементов. Подобные конструкции могут быть использованы в модулях линейного перемещения

различного типа и назначения для снижения потребления энергии без потери производительности.

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

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

Апробация работы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Публикации.

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

Структура и объем работы.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и дается ее краткая характеристика; показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Отмечен вклад в создание и исследование, машин и роботов использующих шагающий способ передвижения, отечественных и иностранных ученых И.И. Артоболевского, А.П. Бессонова, H.H. Болотника, Е.С. Брискина, Ю.Ф. Голубева, В.Г. Градецкого, Е.А. Девянина, В.В. Жоги, И.А. Каляева, А.л! Кемурджиана, П.Д. Крутько, М.В. Кудрявцева, В.В. Лапшина, Ю.Г. Мартыненко, И.В. Новожилова, Д.Е. Охоцимского, В.Е. Павловского, А.К. Платонова, В.Е. Пряничникова, Н.В. Умнова, A.M. Формальского,' В В Чернышева, Е.И. Юревича, A.C. Ющенко, Р. Мак Ги, И. Сазерланда, К. Уолдрона (США), М. Каненко, И. Като, И. Шимоямы (Япония),' М. Вукобратовича (Югославия) и др.

В первой главе проводится тематический обзор научно-технической информации, приводится классификация мобильных роботов, а также примеры известных конструкций мобильных роботов легкого класса. Рассматриваются конструкции существующих образцов мобильных автономных роботов для применения в экстремальных условиях. Приводятся технические требования к параметрам мобильных роботов, одним из таких параметров является энергоэффективность. Рассматриваются движители мобильных роботов. Указываются достоинства, недостатки, а также области применения существующих конструкций шагающих движителей.

Существуют условия, в которых применение шагающих движителей может быть эффективнее традиционных гусеничных и колесных. Анализ исследований позволяет сделать вывод о том, что при работе в особых условиях (болотистые почвы, лед, сыпучий песок, сильно пересеченная местность, завалы и др.) обычные колесные и гусеничные движители могут не обеспечивать достаточной проходимости, в таких случаях необходимо использовать движители специальной конструкции.

На основе опыта предыдущих исследований проводится анализ эксплуатационных свойств мобильного робота «УмНик». Одним из основных недостатков шагающих движителей является низкая энергоэффективность. Шагающий ортогональный движитель, в энергетическом отношении, обладает преимуществами по сравнению с другими шагающими движителями. При движении робота с таким движителем энергия не затрачивается на вертикальное перемещение его центра масс, в случае, если величина преодолеваемых препятствий не превышает максимальной величины выдвижения опорных стоек. Ортогональная схема шагающего движителя предъявляет минимальные требования к системе управления, т.к. любое перемещение робота с шагающим ортогональным движителем можно представить в виде суммы простейших

перемещений его частей, последовательность исполнения которых зависит от выбора оператором одного из возможных алгоритмов перемещения.

Описывается конструкция опытного образца, разработанного в ВолгГТУ мобильного робота с шагающим ортогональным движителем по схеме Н.В. Умнова (рис.2). Движитель робота состоит из двух корпусов 1 и 9, связанных с возможностью вращения вокруг вертикальной оси посредством привода поворота. Привод поворота состоит из электродвигателя 8 и червячного редуктора 10. С каждым из корпусов связан модуль горизонтального перемещения. Модуль состоит из привода горизонтального перемещения и приводов адаптации. Привод горизонтального . перемещения состоит из направляющей 4 и винта 5, связанного с электродвигателем 2. Приводной винт 4 и направляющая 5 закреплены в поперечной балке 3. На концах балок 3 установлены модули адаптации к опорной поверхности 6. В приводах используются электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением. Питание электродвигателей осуществляется от аккумуляторных батарей, напряжение 12В.

Рисунок 2 - Схема шагающего ортогонального движителя.

1- верхний корпус; 2 - электродвигатель привода горизонтального перемещения; 3 - поперечная балка; 4 - направляющая; 5 - винт; 6 - модуль адаптации; 7 - электродвигатель модуля адаптации; 8 - электродвигатель привода поворота; 9 - нижний корпус; 10 - механизм поворота;

Силы трения в приводах, значительно увеличивают затраты мощности электродвигателя. Применительно к роботу с шагающим ортогональным движителем актуально исследование способов снижения энергозатрат на преодоление сил трения.

Во второй главе представлены алгоритмы перемещения мобильного робота с шагающим ортогональным движителем. Большинство алгоритмов перемещения имеют дискретный характер. Перемещение робота с шагающим ортогональным движителем состоит из совокупности элементарных перемещений его частей. Поэтому любое движение такого робота можно разложить на ряд элементарных перемещений его звеньев.

Прямолинейное перемещение робота по местности не содержащей препятствий превышающих предел адаптации робота, в одном из возможных старт-стопных режимов, происходит следующим образом: в начальном положении робот находится в состоянии покоя и опирается на опорные стойки рамы 2 (рис.3). Опорные стойки рамы 1 подняты.

Фаза 1. С помощью приводов горизонтального перемещения корпус 3 перемещается на величину шага 5 относительно опорной рамы 2, а неопорная рама 1 проходит расстояние 5' относительно корпуса.

Фаза 2. Стойки неопорной рамы 1 опускаются до касания с опорной поверхностью, а стойки опорной рамы 2 поднимаются до среднего положения, при этом система горизонтирования обеспечивает горизонтальное положение рам робота.

Далее цикл повторяется, рамы попеременно сменяют друг друга в опорной фазе.

В работе учитываются и другие варианты походок с перемещением корпуса на расстояние от 0 до 5 за цикл, с поочередным перемещением корпуса и рам робота которые могут быть востребованы в зависимости от параметров неровностей опорной поверхности и характера решаемых задач.

а!

Ё.

1

а

Ус

К

\ <\ Ч \ Ч

а±

1

<4 ч ч-

Рисунок 3 - Старт-стопный режим перемещения робота с ортогональными движителями, а) начальное положение б) конечное положение.

Наряду с дискретными алгоритмами перемещения (старт-стопные алгоритмы), кинематическая схема робота позволяет реализовывать алгоритм, при котором корпус робота, связывающий модули горизонтального перемещения, перемещается равномерно прямолинейно, а безударная адаптация робота к неровностям опорной поверхности обеспечивается программными законами относительного перемещения его звеньев.

Перед началом движения по алгоритму обеспечивающему постоянную скорость корпуса, система управления обеспечивает относительное положение элементов его конструкции, при котором корпус робота отстоит от своего крайнего положения относительно опорной рамы в сторону обратному направлению движения на величину д , а рама, не имеющая в данный момент

контакта с опорной поверхностью, находится в своем крайнем положении в направлении обратном направлению движения (рис.4).

Фаза 1. Из начального положения (рис.4) неопорная рама 1 движется со скоростью V,. Время, за которое рама I пройдет путь от одного своего крайнего положения до другого, т.е. переместится на расстояние Б относительно корпуса 3,корпус 3 в абсолютном движении должен переместиться на расстояние [5 - 2 Д ], как показано на рисунке 3.

а! 5)

скорость обеспечивает привод горизонтального перемещения опорной рамы.

а! д)

Рисунок 5 - Алгоритм перемещения корпуса с постоянной скоростью. Фаза 2.

Фаза 2. Во второй фазе движения (рис.5), для безударной смены опорных стоек, необходимо обеспечить абсолютную скорость свободной рамы равной нулю. С этой целью в момент достижения свободной рамой своего крайнего положения включается реверс двигателя продольного перемещения рамы 1, и перемещение осуществляется в обратную сторону со скоростью У2, т.к. корпус продолжает движение со скоростью У2, то скорость переносимой рамы при смене опорных стоек в абсолютном движении равна нулю.

Во время прохождения корпусом расстояния д , стойки неопорной рамы 1 опускаются до касания с опорной поверхностью, при этом с помощью системы горизонтирования обеспечивается горизонтальное положение робота, а стойкй рамы 2 поднимаются до среднего положения. Конструкция робота допускает перемещение корпуса по направляющим рам, в случае когда все восемь опорных стоек обеих рам находятся в контакте с опорной поверхностью. Фаза 3 и 4 аналогичны фазам 1 и 2 соответственно. График скоростей перемещающихся частей робота при этом имеет вид (рис.5):

Рассматриваются различные варианты маневрирования: поворот без вращения вокруг вертикальной оси, алгоритм дискретного поворота и кинематически точный поворот.

Проводится анализ энергозатрат в приводах при поступательном движении робота. Для исследования энергетических характеристик приводов, рассматривается динамика подсистем робота включающих не только двигатель, но и редуктор и механизмы передачи движений. Такие системы входят в состав модулей линейного перемещения, состоящего из электродвигателя, редуктора, приводного винта, гайки и направляющей, связанной с поступательной парой скольжения.

На поверхности соприкасающихся звеньев поступательной пары скольжения возникают силы граничного трения, значительно увеличивающие затраты мощности приводного двигателя

Предполагая, что все силы, действующие на звенья робота, лежат в плоскости движения рам, а нормальные реакции приложены на границах кинематической пары (рис.6), выражение для модуля силы трения скольжения -р-х„ (-Д; <х, <-112),

р~,(г1/2<х1<1/2), р=—(1) р-х„(1/2<х,<А,);

где С - сила тяжести, действующая на модуль линейного перемещения; -координата центра масс рамы в системе координат с началом в центре втулки; / - длина втулки; / - коэффициент трения; -Д„ А, - начальная и конечная координаты центра масс модуля.

Дифференциальное уравнение движения рамы 3 (рис.6) в режиме переноса относительно корпуса имеет вид:

где ГП - масса верхней переносимой рамы; х2 -ускорение верхней рамы в подвижной инерциальной системе координат с началом в центре втулки; -

движущая сила электропривода; ^с2 - силы сопротивления движению корпуса относительно нижней и верхней рам.

Для роторного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением статическая характеристика имеет вид

Рм2(1) = К-и2(1)-Г-х2{1\ (3)

где ¡^Г - постоянные величины, характеризующие электродвигатель и редуктор; у - постоянная скорость движения корпуса по направляющим нижней рамы, неподвижной относительно опорной поверхности; и2(1') -

управляющие напряжения электродвигателей.

Рисунок 6 - Расчётная схема шагающего робота с шагающим ортогональным движителем. 1 — корпус; 3 - верхняя рама; 9 - нижняя рама

Учитывая (1)

где /Л - коэффициент силы линейного вязкого сопротивления.

С учетом (1)-(4), определяются мощности затрачиваемые на перемещение свободной (неопорной) рамы робота при часто используемых законах прямолинейного движения У,(./) и У2(0:

У/(1) - трапецеидальный закон перемещения (движение происходит с максимальным ускорением вначале движения, далее движение с постоянной скоростью).

У2(1) - треугольный закон перемещения (движение равноускоренное на первой половине пути и равнозамедленное на второй).

При движении переносимой рамы по заданным законам при одинаковых параметрах робота, мощности затрачиваемые на такие перемещения отдельных его частей определяются уравнением:

№ (О = Гдв.ЛО ■ = [т Х2(1)+ ц -¿,(0+ (О (5)

(4)

Расчеты производились для следующих параметров робота

т — 35кг; 1 = 0.075м; т = / = 0.08:0, = 0.225м; Э2= 0.225м; У, =0.05 —

м ' с

Рисунок 7 - Графики мощности необходимой для реализации заданных алгоритмов перемещения свободной рамы робота: а) алгоритм с максимальной постоянной скоростью, б) алгоритм с постоянным ускорением

На рисунке 7 показаны полученные графики мощности необходимой для реализации законов движения У/(1) и У2(,I). Определяется структура энергозатрат в приводах при поступательном перемещении робота (рис.8а, рис.86).

Потери в подшипниках передаточных механизмах 44%

Граничное трение 36%

Разгон

2%

Вязкое трение 18%

Рисунок 8а - Структура энергозатрат при движении по треугольной диаграмме.

Потери в подшипниках

механизмах

34%

Граничное трение

43%

Разгон

2%

Вязкое трение 21%

Рисунок 86 — Структура энергозатрат при движении по трапецеидальной диаграмме.

В третьей главе рассматривается способ снижения энергозатрат на парциальные движения мобильного робота с шагающим ортогональным

движителем с помощью конструктивных изменений движителя и добавления в его конструкцию упругих элементов.

Для повышения энергоэффективности приводов горизонтального перемещения, предложена оригинальная конструкция шагающего ортогонального движителя с закрепленными на нем упругими элементами.

Результатом применения конструкции шагающего ортогонального движителя использующего упругие элементы, является снижение трения в кинематических парах скольжения за счет уравновешивания момента силы тяжести, что снижает энергозатраты в приводах горизонтального перемещения и повышает энергоэффективность движителя.

Указанный технический результат достигается тем, что шагающий ортогональный движитель, содержит два симметрично расположенных механизма уравновешивания. Механизмы устанавливаются между верхней рамой и корпусом, а также между нижней рамой и корпусом, соответственно.

Приведены результаты экспериментальных исследований опытного образца шагающего робота с шагающим ортогональным движителем. На основе экспериментальных исследований было доказано снижение энергозатрат на перемещение движителя за счет введения в конструкцию механизмов содержащих упругие элементы. На основании полученных экспериментальных данных сделан вывод о правильности теоретических расчетов.

В четвертой главе рассматривается способ снижения энергозатрат на перемещение ортогонального движителя с помощью реализации оптимального закона перемещения свободной рамы.

Ставится задача определения закона изменения относительной скорости перемещения рамы у2, минимизирующего тепловые потери в приводных

двигателях горизонтального перемещения рамы и корпуса робота, в первой фазе программного движения при непрерывном перемещении корпуса с постоянной скоростью У/.

На первом участке х, е [—А,; -1/2] изменения координаты рамы х,(/) в качестве критерия качества выступает функционал

Ь^х^^ + а^и^ + Р^)]*. (6)

о

где х2((,) = УК1 - скорость рамы, определённая в результате решения задачи на первом участке движения.

На втором участке, после введения новой переменной г = / — ^ критерий качества принимает вид

г,

/, = х3(т2) + а ■ /[/¿,(г) + (7)

где г, = 0\ т2 = 12 ~ ; х2(т2) = УК2 - скорость рамы, определённая в результате решения задачи на втором участке движения.

Наконец, на третьем участке движения рамы л:уе[//2;Д2] известны граничные условия на обоих концах искомой функции, которые после замены переменной времени = / — ^ записываются в виде

*#(0) = //2; х2(0) = ГК2; х,(0г) = Аг; х2(в2) = 0, при этом, в2 =■ ^ -12, а минимизируемый функционал равен

в,

е,

Поставленная задача решается методами классического вариационного исчисления. Оптимизация законов движения проводится независимо на каждом участке движения, сохраняя непрерывность переменных состояния в точках изменения характеристик сил трения.

На рис. 9 представлены программные законы изменения координаты, скорости и ускорения рамы, полученные из условия минимума критериев (6 - 7).

X у м

Х.м/4---- ---------

0,4

0,3 -0,4

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25

Рисунок 9 - Оптимальные кинематические параметры переносимой рамы х '(¡)-скорость, х(1)~ координата.

Кинематические параметры для движения рамы, полученные при интегрировании при значениях параметров оптимизируемой системы, представлены на рис. 9.

Полученные программные законы являются исходными для синтеза систем управления движением с обратными связями в управляющих системах роботов с модулями линейных перемещений.

Для оценки эффективности полученной оптимальной программы изменения скорости движения рамы исследована зависимость отношения /?=/,//, для различных значений коэффициентов граничного / и вязкого М

трения, которые могут реализовываться в процессе эксплуатации. Результаты представлены на рис. 10.

Сделан вывод о том, что в одних случаях оптимальное управление может принести существенную выгоду по сравнению с обычно используемым простым «треугольным» законом движения, а в других случаях выигрыш ничтожен, и нужно отвергнуть применение оптимального управления, предпочтя ему управление, более простое в реализации.

э

Рисунок !0 - Оценка эффективности оптимального закона движения рамы робота в зависимости от параметров сил трения

Основные результаты и выводы.

1. Разработан алгоритм дискретного перемещения робота с шагающим ортогональным движителем по местности, содержащей препятствия. Разработан алгоритм комфортабельного перемещения робота, при котором скорость корпуса постоянна.

2. Исследование динамических процессов в приводах мобильного робота с шагающим ортогональным движителем, позволили определить структуру энергозатрат на его перемещение. Наличие непроизводительных энергозатрат связано в первую очередь с зависимостью сил трения в кинематических парах от взаимного расположения частей робота.

3. Разработана оригинальная конструкция шагающего движителя для перемещения по местности со сложным рельефом, в конструкцию которого введены упругие разгружающие элементы. В зависимости от параметров установленных упругих элементов возможно частичное, либо полное разгружение кинематической пары скольжения от момента сил тяжести. Разработанная конструкция позволяет снизить непроизводительные затраты энергии на преодоление сил трения на 17% при движении по треугольной диаграмме скорости и на 9% при движении по трапецеидальной диаграмме. Результаты экспериментальных исследований подтверждают положительный эффект от применения предложенного метода снижения энергозатрат.

4. Решена вариационная задача нахождения оптимального с точки зрения минимума критерия энергозатрат, закона перемещения рамы робота, находящейся в фазе переноса. В качестве критерия качества принят функционал, определяющий потери в электродвигателе постоянного тока с независимым возбуждением, обусловленные тепловыделением в его обмотках.

5. Разработана методика определения эффективности полученного оптимального закона перемещения свободной рамы, в зависимости от различных значений коэффициентов сухого и вязкого трения. Эффективность определяется коэффициентом, который является отношением критерия качества

для оптимального решения к критерию качества для часто используемого движения с постоянным ускорением, когда скорость линейно возрастает на первой половине пути и линейно убывает на второй половине. Для робота с шагающим ортогональным движителем «УмНик» коэффициент эффективности равен 0,76, что соответствует снижению энергозатрат на перемещение свободной рамы на 24%.

При сравнении двух методов снижения энергозатрат, применительно к объекту исследования наиболее эффективным является метод реализации оптимального закона перемещения звеньев механизма шагания, т.к. в этом случае при сравнимых значениях энергозатрат, отсутствует необходимость изменений в конструкции робота.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах (из общего числа 22 печатных работ):

Статьи в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Гаврилов, А. Е. Синтез оптимального программного закона перемещения робота с ортогональными шагающими движителями / А.Е. Гаврилов, В.В. Жога, П.В. Федченков // Известия РАН. Теория и системы управления. -2011.- №5.-С. 164-173.

2. Адаптация алгоритмов технического зрения для систем управления шагающими машинами / С.А. Быков, A.B. Еременко, А.Е. Гаврилов, В.Н. Скакунов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 10 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 3. - С. 52-56.

3. Жога, В.В. Программные движения робота с ортогональным шагающим движителем / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 11 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 9. - С. 22-28.

4. Жога, В.В. Оптимальный закон горизонтального перемещения мобильного робота с ортогональными шагающими движителями / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов, A.B. Еременко // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 8 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 6 - С. 28-32.

Статьи в других изданиях:

5. Система управления походкой шагающей машины с цикловыми движителями / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов, В.А. Шурыгин, В.В. Котов // Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2008): 5 науч.-техн. конф. в рамках 2 рос.мультиконф. по пробл. управления: матер, конф., Санкт-Петербург, 14-16 окт. 2008 г. / Гос. науч. центр РФ ЦНИИ "Электроприбор" [и др.]. - СПб., 2008. - С. 211-214.

6. Гаврилов, А.Е. Методы снижения энергозатрат в ортогонально-повортном движителе / А.Е. Гаврилов // 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. 180-181.

7. Построение программных движений восьминогого робота с ортогональным движителем / В.В. Жога, Е.С. Брискин, А.Е. Гаврилов, В.Е. Павловский // Актуальные проблемы зашиты и безопасности : тр. двенадцатой всерос. науч.-практ. конф. (1-3 апр. 2009 г.). В 6 т. Т. 5. Экстремальная робототехника / Рос. акад. ракетных и артиллерийских наук, НПО спец. материалов. - СПб., 2009. - С. 199-202.

8. Энергетика перемещения робота с ортогональным шагающим движителем / В.В. Жога, В .А. Шурыгин, А.Е. Гаврилов, В.Е. Павловский // Актуальные проблемы защиты и безопасности : тр. двенадцатой всерос. науч.-практ. конф. (1-3 апр. 2009 г.). В 6 т. Т. 5. Экстремальная робототехника / Рос. акад. ракетных и артиллерийских наук, НПО спец. материалов. - СПб., 2009. - С. 202-205.

9. Федченков, П.В. Идентификация параметров робота с ортогонально-поворотным движителем / П.В. Федченков, В.В. Жога, А.Е. Гаврилов // Экстремальная робототехника : тр. междунар. конф. с элементами науч. школы для молодёжи, 12-14 окт. 2010 г. / С.-Петерб. гос. политехи, ун-т, ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики. - СПб., 2010. - С. 140-144.

10. Оптимальное управление шагающим роботом с ортогонально-поворотным движителем / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов, В.Е. Павловский, A.B. Еременко // Матер. 7-й науч.-техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), проводимой в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), 12-14 окт. 2010 г. / Гос. науч. центр РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор" [и др.]. - СПб., 2010. - С. 171-174.

11. Гаврилов, А.Е. Синтез оптимального по энергозатратам закона движения ортогонального шагающего робота / А.Е. Гаврилов // Вестник Волгоградского гос. ун-та. Серия 9, Исследования молодых учёных. - 2010. -Вып. 8, 4.2.-С. 118-123.

12. Жога, В.В. Управление движением шагающего робота с ортогональными движителями / В.В. Жога, В.Е. Павловский, А.Е. Гаврилов // Экстремальная робототехника : тр. XXI междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 18-20 мая 2010 г.) / ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики [и др.]. - М. ; СПб., 2010.-С. 318-326.

13. Жога, В.В. Шагающий робот с блочно-модульным построением электромеханических структур / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов // Экстремальная робототехника : тр. междунар. конф. с элементами науч. школы для молодёжи, 12-14 окт. 2010 г. / С.-Петерб. гос. политехи, ун-т, ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики. - СПб., 2010. - С. 136-140.

14. Жога, В.В. Шагающий робот с ортогонально-поворотным движителем / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов, П.В. Федченков // Матер. 7-й науч.-техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), проводимой в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), 12-14 окт. 2010 г. / Гос. науч. центр РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор" [и др.]. -СПб., 2010.-С. 175-178.

15. Экспериментальное определение значений параметров системы управления шагающих машин с ортогональными движителями / А.В. Еременко, В.Н. Скакунов, В.В. Жога, А.Е. Гаврилов // Экстремальная робототехника : тр. междунар. конф. с элементами науч. школы для молодёжи, 12-14 окт. 2010 г. / С.-Петерб. гос. политехи, ун-т, ЦНИИ робототехники и техн. кибернетики. -СПб., 2010.-С. 217-220.

Статьи в иностранных изданиях

16. Гаврилов, А.Е. Synthesis of optimal program law for movement of a robot with orthogonal walking drives / А.Е. Гаврилов, B.B. Жога, П.В. Федченков // Journal of Computer and Systems Sciences International. - 2011. - Vol. 50, № 5. -с. 847-857,-Англ.

17. Жога, B.B. Динамический алгоритм стабилизации походки шагающей машины / В.В. Жога, А.Е. Гаврилов // Искусственный интеллект / НАН Украины. - 2008. - № 3. - С. 428-433.

Патенты

18. П. м. 87404 РФ, МПК В 62 D 57/02. Шагающий движитель для перемещения по местности со сложным рельефом / Е.С. Брискин, А.Е. Гаврилов, В.В. Жога, В.Е. Павловский; ВолгГТУ. - 2009.

19. П. м. 93066 РФ, МПК В 62 D 57/032. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости / В.П. Мишта, А.Е. Гаврилов, Н.Е. Фролова, Е.С. Брискин; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

20. Пат. 2435693 РФ, МПК B62D57/032. Шагающий движитель повышенной проходимости / А.Е. Гаврилов, В.В. Жога, В.Е. Павловский, П.В. Федченков; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2011.

Подписано в печать «¿9» ОЧ 2013 г. Заказ №ЗУ<!Тираж 100 экз. Печ.л Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, ул. Советская, 35

Волгоградский государственный технический университет

04201 455051 На правах рукописи

Гаврилов Андрей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ В ПРИВОДАХ РОБОТА С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ

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

В.В. Жога

Волгоград — 2013

Оглавление 2

Введение 4

В .1. Актуальность работы 4

В.2 Описание объекта исследования. 8

В.З Цель, основные задачи и содержание работы 10

Глава 1. Мобильные роботы 13

1.1 Классификация мобильных роботов 13

1.2 Технические требования к параметрам мобильных роботов 15

1.2.1 Транспортабельность 16

1.2.2 Автономность 17 1.2.3. Энергоэффективность мобильных роботов 19

1.3 Движители мобильных роботов. Проходимость движителей 20

1.4 Мобильные роботы легкого класса 26

1.4.1 Роботы с гусеничными движителями 26

1.4.2 Роботы с колесными движителями 33

1.4.3 Мобильные роботы вертикального перемещения 37

1.4.4 Мобильные роботы с шагающими движителями 38

1.5 Мобильный шагающий робот с ортогональным движителем «УмНик» 44

1.6 Постановка задачи исследования 51 Глава 2. Программные движения робота «УмНик» с шагающим ортогональным движителем 53

2.1 Алгоритмы перемещения мобильного робота «УмНик» с шагающим ортогональным движителем 54

2.1.1 Дискретный алгоритм прямолинейного движения робота 56

2.1.2 Алгоритм движения с заданной скоростью перемещения корпуса 61

2.1.3 Алгоритм поворота 64

2.2 Анализ энергозатрат при поступательном движении робота 68

2.3 Кинематический расчет законов движения 72

2.3.1 Треугольная диаграмма изменения скорости 72

2.3.2 Трапецеидальная диаграмма изменения скорости 73

2.4 Модель трения скольжения в модулях линейного перемещения 73

2.5 Идентификация параметров модуля линейных перемещений 75

2.6 Структура энергозатрат на перемещение свободной рамы при дискретных алгоритмах перемещения 80 Глава 3. Способ снижения энергозатрат на перемещение робота «УмНик» с помощью введения в конструкцию движителя упругих элементов 84 3.1 Схема движителя робота реализующего способ разгружения кинематической пары от момента сил тяжести с помощью упругих элементов 84

3.2 Оценка снижения энергозатрат за счет введения в конструкцию движителя

упругих элементов 90

3.3 Экспериментальная проверка эффективности способа снижения энергозатрат 93

Глава 4. Алгоритм оптимального закона движения мобильного робота «Умник» с шагающим ортогональным движителем 98

4.1 Синтез оптимального закона программного движения мобильного робота с шагающим ортогональным движителем 99

4.1.1 Постановка задачи 99

4.1.2 Критерий качества оптимизируемого процесса 103

4.1.3 Метод решения задачи оптимизации динамического процесса 105

4.1.4 Оценка эффективности оптимального закона программного движения 115

4.2 Экспериментальная проверка 116

4.2.1 Система управления линейным приводом робота «Умник»,

на аппаратно вычислительной платформы «АгсЫпо» 116

4.2.2 Описание и схема проведения эксперимента 122 Заключение и основные выводы 126 Список использованной литературы. 129

ВВЕДЕНИЕ

В1. Актуальность работы

Мобильные робототехнические системы применяются для осуществления безопасности работ в зонах опасных для жизни людей [9, 37, 38, 46, 65, 66] и увеличения производительности различных технологических операций по сравнению с производительностью человеческого труда. При проектировании мобильных робототехнических систем (РТС) необходимо учитывать специфику условий окружающей среды, в которой в дальнейшем предстоит использовать РТС. Желание максимально удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к робототехническим системам при решении конкретных задач, приводит к разработке роботов различного класса [9, 37, 46, 59, 60, 67-111]. Однако, анализируя весь комплекс поставленных практикой задач, представляется возможным разработка базовой конструкции робота небольших габаритов и массы, с применением блочно-модульного принципа конструирования. Это позволяет оперативно производить смену технологического оборудования, узлов и механизмов ходовой части и силовой установки для скорейшей адаптации робота к условиям эксплуатации при динамичном изменении внешней среды функционирования и изменении поставленных задач.

Основной проблемой автоматизации при создании мобильных роботов является проблема адаптации робота к особенностям среды функционирования. Мобильные роботы работают в условиях минимальной информации об окружающей среде. Причем эта информация недетерминирована как статически (наличие и расположение препятствий, форма и состояние опорной поверхности), так и динамически (скорость перемещения движущихся препятствий), что затрудняет способность робота выполнять поставленные ему задачи без непосредственного участия человека [2].

В настоящее время существует потребность в создании мобильных роботов различного класса со сменными приводами и достаточно универсальными исполнительными механизмами, соответствующими большому разнообразию условий применения. Актуально повышение надежности и автоматизации таких

роботов с целью исключения участия человека в операциях по развертыванию, обслуживанию и эвакуации [4]. Разработкой мобильных роботов, использующих различные способы перемещения, занимаются во многих странах мира. Основными разработчиками и производителями мобильных роботов предназначенных для автономного функционирования являются научные центры США, Испании, Японии, Великобритании, Франции, Италии, Китая, Южной Кореи, Германии и др.

Большинство известных мобильных роботов имеют гусеничный или колесный движители. Однако существует множество задач, которые с помощью роботов использующих гусеничные и колесные движители решить невозможно.

Разработка перспективных образцов мобильных роботов для применения в условиях чрезвычайных ситуаций наряду с решением ряда приоритетных задач связана, в том числе с созданием нетрадиционных типов движителей и уменьшением их массогабаритных показателей, что обусловлено необходимостью повышения показателей грунтовой и профильной проходимости, для расширения спектра решаемых задач [6].

Применение шагающих движителей в конструкции мобильных роботов позволяет повысить грунтовую и профильную проходимость робота, комфортабельно перемещаться по неровной поверхности, внутри помещений, в узких коридорах, проходить в дверные проемы, двигаться по лестничным маршам, совершать маневрирование в ограниченном пространстве [126].

Шагающий движитель обладает такими положительными качествами по сравнению с другими известными движителями как высокая адаптация к неровностям опорной поверхности, имеет лучшую грунтовую проходимость на грунтах с низкой несущей способностью, шагающий движитель позволяет при движении, в меньшей степени затрачивать работу на деформацию грунта. Причем, даже проваливаясь в грунт, шагающий движитель не ухудшает своих тяговых характеристик. Робот с шагающим движителем не оставляет сплошной колеи, т.к. взаимодействие с опорной поверхностью происходит дискретно. Эти положительные качества, в будущем, позволят машинам и роботам,

использующим шагающий движитель, занять свою нишу в системе машин, используемых человеком в своей деятельности.

Мобильные роботы с шагающими движителями могут быть использованы в качестве транспортно-технологических машин. Благодаря высокой маневренности, высокой профильной и опорной проходимости [3], такие роботы могут быть использованы для мониторинга окружающей среды; обнаружения и ликвидации аварий природных и техногенных катастроф; проведения работ по гуманитарному разминированию; проведения работ по осушению заболоченных мест в условиях городской среды, их биологической очистке; выполнения работ в сельском хозяйстве, выполнения различных задач в условиях военных действий, при проведении контртеррористических операций и др. Установка манипулятора на корпусе робота позволит проводить отбор проб в местах радиоактивного и химического загрязнения, проводить специальные операции.

Известные разработки шагающих роботов [83, 89-104, 112], имеют сложные механические конструкции, состоящие из большого количества деталей и узлов, имеют сложную многоуровневую систему управления, что приводит к увеличению рыночной стоимости робота, уменьшению его надежности и способности противостоять экстремальным воздействиям при аварийных ситуациях.

Широкое признание в исследовании проблем динамики, энергетической эффективности, создания систем управления и разработки конструкций машин и роботов использующих шагающий способ передвижения получили работы отечественных и иностранных ученых И.И. Артоболевского, А.П. Бессонова, H.H. Болотника, Е.С. Брискина, Ю.Ф. Голубева, В.Г. Градецкого, Е.А. Девянина, В.В. Жоги, И.А. Каляева, A.JI. Кемурджиана, П.Д. Крутько, М.В. Кудрявцева, В.В. Лапшина, Ю.Г. Мартыненко, И.В. Новожилова, Д.Е. Охоцимского, В.Е. Павловского, А.К. Платонова, В.Е. Пряничникова, Н.В. Умнова, A.M. Формальского, В.В. Чернышева, Е.И. Юревича, A.C. Ющенко, Р. Мак Ги, И. Сазерланда, К. Уолдрона (США), М. Каненко, И. Като, И. Шимоямы (Япония), М. Вукобратовича (Югославия) и др.

На сегодняшний день известно достаточное количество различных схем шагающих машин и шагающих роботов. Конкретное исполнение шагающего движителя и применение различных схем управления движением шагающей машины в большей степени зависят от назначения и ее среды функционирования. Роботы, используемые для работ в экстремальных условиях, используют сложные бортовые вычислительные комплексы, в то время как применение таких комплексов для технологических машин нецелесообразно. Требования к техническим характеристикам шагающих машин сильно различаются в зависимости от их предназначения. Роботы и машины предназначенные для транспортировки различных грузов должны иметь высокую плавность хода, в то время как к машине предназначенной для создания тягового усилия подобные требования не предъявляются. Разная степень маневренности требуется для шагающей машины предназначенной для обнаружения противопехотных мин и для комбайна работающего в поле на шагающем шасси движение которого практически всегда прямолинейно.

Область применения шагающих машин с ортогональным движителем определяется их положительными качествами в сравнении с другими типами шагающих движителей. В отличие от большинства кинематических схем шагающих движителей, ортогональный движитель в энергетическом отношении имеет преимущество, поскольку при перемещении робота использующего такой движитель, как по ровной поверхности, так и при движении по поверхности сложного профиля в режиме адаптации, не затрачивает работу на поддержание собственного веса. Также ортогональный шагающий движитель имеет возможность адаптации к заранее неизвестной опорной поверхности, регулируемую грунтовую и повышенную профильную проходимость.

Однако такие положительные свойства шагающих движителей пока не привели к появлению широкого спектра шагающих машин различных классов. Трудности, связанные с созданием машин с ортогональными движителями, связаны со значительными непроизводительными затратами энергии на перемещение. Поэтому актуально исследование и изучение динамических

процессов происходящих в приводах ортогональных движителей с целью определения структуры энергозатрат на перемещение, выявления параметров влияющих на энергозатраты и разработки методов снижения затрат на перемещение машин и роботов использующих для перемещения ортогональный шагающий движитель.

В2. Описание объекта исследований

Объектом диссертационного исследования является разработанный в ВолгГТУ по схеме Н.В. Умнова, мобильный робот «УмНик» с шагающим ортогональным движителем (Рисунок В.1).

Рисунок В.1 - Мобильный робот «УмНик» с шагающим ортогональным

движителем

Мобильный робот (Рисунок В.2) состоит из движителя, системы управления движением, приводов курсового (горизонтального) перемещения, приводов адаптации (вертикального перемещения), привода поворота (углового перемещения), набора датчиков обратной связи и аккумуляторной батареи.

Отличительной особенностью робота является его движитель. Движитель робота состоит из двух корпусов 1 связанных с возможностью вращения посредством привода поворота. Привод поворота состоит из червячного редуктора 2 и электродвигателя 3. Имеется два модуля горизонтального перемещения, каждый из которых состоит из корпуса 1 и привода горизонтального перемещения состоящего из приводного винта 4, электродвигателя 3 и направляющей 5. Приводной винт 4 и направляющая 5, закреплены в поперечной балке 6. На концах балок находятся вертикальные выдвижные опорные стойки 7, образующие с балкой 6 модуль адаптации робота к опорной поверхности. В приводах используются электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением. Питание осуществляется от аккумуляторных батарей 12В.

Рисунок В.2 - Схема шагающего ортогонального движителя: 1 - корпус; 2 - привод продольного перемещения верхней рамы; 3 - верхняя рама; 4 - направляющая; 5 - приводной винт; 6 - выдвижные опорные стойки; 7 -приводы опорных стоек; 8 - платформа; 9 - нижняя рама; 10 - привод продольного перемещения нижней рамы; 11 - механизм поворота; 12 - привод

поворота

ВЗ. Цель и основные задачи

Цель — исследование динамических и энергетических характеристик приводов мобильного робота с шагающим ортогональным движителем и разработка методов снижения энергозатрат на его перемещение.

В рамках достижения поставленной цели решены следующие задачи:

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

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

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

4. Синтез оптимального закона программного перемещения звеньев механизма шагания.

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

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

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

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

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Искусственный интеллект» (ИИ-2008), пос. Кацивели (АР Крым, Украина), 22-27 сентября2008 г.

2. «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2008): 5 научно-техническая конференция в рамках 2 всероссийской, мультиконференции по проблемам управления», Санкт-Петербург, 14-16 октября2008 г.

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

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

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

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

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

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

Основное содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах, из них 4 в периодических изданиях рекомендованных ВАК, 2 в иностранных изданиях, получено 2 патента на полезные модели и 1 патент на изобретение.

Работа в