СТРУКТУРА ЭНЕРГОЗАТРАТ ШАГАЮЩИХ МАШИН И РОБОТОВ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ БОЛЬШИХ ТЯГОВЫХ УСИЛИЙ

  • В.В. Чернышев Федеральное государственное бюджетное образователь-ное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический уни-верситет»
  • В.В. Арыканцев Федеральное государственное бюджетное образователь-ное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический уни-верситет»
Ключевые слова: Мобильные роботы, роботизированные тракторы, шагающий движитель, тягово-сцепные свойства, энергозатраты на передвижение, взаимодействие с грунтом, динамика управляемого движения, энергетическая эффективность

Аннотация

Шагающие машины и роботы при движении в сложных условиях могут быть более эффективными в сравнении с традиционными колесными и гусеничными транспортными средствами. По этой причине они находят применение для работ в экстремальных услови-ях. Перспективно использование шагающих роботов и при внедрении новых почвосбере-гающих технологий в лесном и сельском хозяйстве. Известные роботизированные тракто-ра имеют, как правило, движители гусеничного или колесного типа. Тяговые свойства та-ких тракторов ограничены по сцеплению. Они могут реализовать максимальную силу тяги, несмотря на их высокую энергонасыщенность, меньше собственного веса (коэффициент сцепления даже для хороших грунтов не превосходит 0,8–1). Шагающие машины не имеют этого недостатка. Вместе с тем, скорость передвижения шагающих тракторов ограни-чена из-за высоких затрат мощности на преодоление сил инерции в каждом цикле (шаге) движения. В работе обсуждается возможность частичной взаимной компенсации энерго-затрат на осуществление полезной «тяговой работы» с другими составляющими затрат на движение. Проведено моделирование динамики шагающего робота с цикловыми движи-телями при реализации тяговых усилий. Шагающие движители такого типа отличаются простотой и надежностью. Определены цикловые зависимости основных составляющих энергозатрат (расходуемых на преодоление цикловых сил инерции в движителе, на обу-словленные шагающим способом передвижения колебания корпуса, на прессование грунта и на осуществление полезной «тяговой работы»). При анализе учитывалось, что затраты мощности на совершение тяговой работы, вследствие курсовой неравномерности движе-ния, меняется в зависимости от фазы цикла, а потери мощности на прессование грунта имеют место только при переступании. Анализ базировался на кинематических и инерци-онных характеристиках шагающих движителей ряда экспериментальных образцов ша-гающих машин и роботов. Исследована возможность взаимной компенсации различных составляющих энергозатрат шагающих робототехнических систем, предназначенных для реализации значительных тяговых усилий. Показано, что имеется принципиальная воз-можность разработки такого шагающего движителя, где различные затраты мощности будут лежать в противофазе, либо их максимумы будут смещены во времени. Тем самым можно решить задачу повышения энергоэффективности движения шагающих робото-технических систем. Результаты работы могут быть востребованы при разработке как простейших шагающих машин, например тракторов сельскохозяйственного назначения, так и для сложных робототехнических систем предназначенных для проведения грунто-вых работ при дефиците сцепного веса, например, в подводных условиях либо в условиях ослабленной гравитации.

Литература

1. Арыканцев В.В., Гаврилов А.Е., Калинин Я.В., Малолетов А.В., Чернышев В.В. Оценка устойчивости по опрокидыванию подводного шагающего аппарата // Нелинейная дина-мика машин. School-NDM 2016: Сб. тр. III междунар. школы-конференции молодых учёных (г. Москва, 12-15 апр. 2016 г.) / под ред. В.К. Асташева [и др.]; Российский науч. фонд, Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. – М., 2016. – C. 110-114.
2. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V., Kalinin Ya.V. Passive foot control in cyclic walking mech-anism // Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM 2017) (Saint Pe-tersburg, Russia, 16-19 May 2017): International Conference : Proceedings / St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engi-neers). – Publisher: IEEE, 2017. – 5 p. – DOI: 10.1109/ICIEAM.2017.8076189. – URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/8076189/.
3. Брискин Е.С., Шурыгин В.А., Жога В.В., Чернышев В.В., Малолетов А.В. Курсовая ус-тойчивость шагающей машины "Восьминог" // Информационно-измерительные и управляющие системы. – 2006. – Т. 4, № 1-3. – C. 56-58.
4. Chernyshev V.V., Goncharov A.A., Arykantsev V.V. Modeling of vibroimpact processes which occurs in feet changing of the walking units at viscoelastic grounds // Procedia Engineering. Vol. 176: Proceedings of the 3rd International Conference on Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM2016), June 29 – July 01, 2016, Samara, Russia / ed. by Viktor Sverbilov and Andrew Plummer. – Elsevier publishing, 2017. – P. 387-393.
5. Чернышев В.В., Арыканцев В.В., Гаврилов А.Е. Управление движением подводных ша-гающих аппаратов передвигающихся по дну // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2016. – № 1 (174). – C. 141-155.
6. Briskin E.S., Chernyshev V.V., Maloletov A.V., Sherstobitov S.V., Grigoryan G.G., Savin A.G. On ground and profile practicability of multi-legged walking machines // Climbing and Walk-ing Robots. CLAWAR 2001: Proceedins of the Fourth International Conference, 24-26th Sep-tember 2001. – London, 2001. – P. 1005-1012.
7. Кемурджиан А.Л. Планетоходы. – М.: Машиностроение, 1993. – 400 с.
8. Чернышев В.В., Гончаров А.А., Арыканцев В.В. Тягово-сцепные свойства шагающих роботов в условиях ослабленной гравитации // Робототехника и искусственный интеллект: Мат. X всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Железногорск, 8 декабря 2018 г.) / под на-уч. ред. В.А. Углева; Сибирский федеральный ун-т, Межинститутская базовая кафедра «Прикладная физика и космические технологии». – Красноярск, 2018. – C. 14-19.
9. Арыканцев В.В., Гончаров А.А., Чернышев В.В. Моделирование контактного взаимодей-ствия опорных элементов (стоп) шагающего движителя с грунтом в условиях сложного нагружения // Экстремальная робототехника и конверсионные тенденции: Тр. между-нар. науч.-техн. конф. (г. Санкт-Петербург, 7-8 июня 2018 г.) / Гос. научный центр Рос-сийской Федерации «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский ин-т робототехники и технической кибернетики» (ГНЦ РФ ЦНИИ РТК). – СПб., 2018. – C. 258-265. – Режим доступа: http://er.rtc.ru/images/docs/ Trudy_konf_ER-2018.pdf.
10. Caldwell D.G., Warren H.A. Is there a future for climbing and walking robotic system in mili-tary operations? // Climbing and Walking Robots. CLAWAR 2001: Proc. of the 4-th Int. Conf. Karlsruhe, Germany, 2001. – P. 969-977.
11. Digney B.L., Penzes S. High utility robotics in urban combat operations // Climbing and Walk-ing Robots and their Supporting Technologies. CLAWAR 2003: Proc. of the 6-th Int. Conf. Catania, Italy, 2003. – P. 707 716.
12. Boston Dynamics. – Режим доступа: https://www.bostondynamics.com.
13. Арыканцев В.В., Чернышев В.В. Определение допустимого давления лыжеобразной сто-пы шагающего движителя на грунт // Робототехника в сельскохозяйственных техноло-гиях: Матер. междунар. науч.-практ. конф. (10-12 нояб. 2014 г.). – Мичуринск, 2014. – C. 131-135.
14. Арыканцев В.В., Терехов С.Е., Чернышев В.В. Влияние формы стопы шагающего движи-теля на напряжённое состояние грунта // Альтернативные источники энергии в транс-портно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использо-вания: Cб. науч. тр. по матер. ежегодных конференций. Т. 3. Вып. 1: Матер. междунар. науч.-практ. конф. «Транспортно-технологическому комплексу – энергоэффективную альтернативу» (г. Воронеж, 16-18 марта 2016 г.). – Воронеж: ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова, 2016. – C. 166-171.
15. Чернышев В.В., Арыканцев В.В. Испытания подводного шагающего аппарата в условиях водных объектов Волго-Ахтубинской поймы // Системы контроля окружающей среды. – 2017. – № 8 (28). – C. 24-29.
16. Арыканцев В.В., Чернышев В.В. Исследование «компрессионного эффекта», возникаю-щего при смене стоп шагающего движителя на подводных грунтах // Современные ме-тоды и средства океанологических исследований: Матер. XV всерос. науч.-техн. конф. «МСОИ–2017» / сост.: Н.А. Римский-Корсаков, А.В. Зарецкий; Федеральное агентство научных организаций. – М., 2017. – Т. II. – C. 178-182.
17. West E. Modern farming. Farming with robots. Going it alone // Farm machinery journal. – 2017. – No. 39. – P. 42-45.
18. Autonomous Tractor Corporation. – Режим доступа: https://www.autonomoustractor.com.
19. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V., Gavrilov A.E., Kalinin Ya.V., Sharonov N.G. Design and underwater tests of subsea walking hexapod MAK-1 // Proceedings of the ASME 2016 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE2016 (Busan, South Korea, June 19-24, 2016) / Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OOAE) Division of The American Society of Mechanical Engineers (ASME), Pusan National University. – Busan, 2016. – 9 p.
20. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V., Kalinin Ya.V., Gavrilov A.E., Sharonov N.G. Development of the walking mover for underwater walking vehicle // Proceedings of the 26th International DAAAM Symposium «Intelligent Manufacturing & Automation» (Zadar (Croatia, EU), 21-24th October 2015) / ed. by B.R. Katalinic ; Danube Adria Association for Automation & Manufacturing (DAAAM International Vienna). – Vienna (Austria), 2015. – P. 1143-1148.
21. Чернышев В.В., Шурыгин В.А. Моделирование динамики взаимодействия движителя подводного шагающего аппарата с грунтом с низкой несущей способностью // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и ин-форматики в технических системах". Вып. 19: Межвуз. сб. науч. тр. – Волгоград: Вол-гГТУ 2013. – № 24 (127). – C. 82-86.
22. Chernyshev V.V., Briskin E.S., Zhoga V.V., Maloletov A.V., Sharonov N.G. Modeling of the Dynamics of the Walking Machine with the Cyclic Propulsors as System Solids with Elastic and Damping Relations // The 3rd Joint International Conference on Multibody System Dy-namics. The 7th Asian Conference on Multibody Dynamics, Busan, Korea, June 30 – July 3, 2014 / Busan Exhibition and Convention Center (BEXCO). – Busan (Korea), 2014. – 9 p. (pdf). – Режим доступа: http://imsd-acmd2014.ksme.or.kr/.
23. Брискин Е.С., Чернышев В.В., Малолетов А.В., Жога В.В., Шаронов Н.Г., Шаров К.В., Фролова Н.Е., Покровский Д.Н. Шагающая машина "Восьминог" // Мехатроника, авто-матизация, управление. – 2004. – № 5. – C. 48-49.
24. Брискин Е.С., Вершинина И.П., Малолетов А.В., Шаронов Н.Г. Об управлении движени-ем шагающей машины со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями // Из-вестия РАН. Теория и системы управления. – 2014. – № 3. – C. 168-176.
25. Чернышев В.В., Арыканцев В.В. МАК-1 – подводный шагающий робот // Робототехника и техническая кибернетика. – 2015. – № 2. – C. 45-50.
26. Чернышев В.В., Арыканцев В.В. Цикловой механизм шагания с трансформируемой тра-екторией опорной точки // Теория механизмов и машин. – 2017. – Т. 15, № 2 (34). – C. 71-79. – Режим доступа: http://tmm.spbstu.ru/34/Chernyshev.pdf.
27. Пат. 2207583 РФ, МПК 7 В 62 D 57/032. Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости / Чернышев В.В., Брискин Е.С., Савин А.Ю. ВолгГТУ, 2003.
Опубликован
2019-05-07
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ