THE STRUCTURE OF ENERGY CONSUMPTION OF WALKING MACHINES AND ROBOTS DURING REALIZATION OF LARGE TRACTIVE EFFORT
Abstract
The walking machines and robots at the movement in difficult conditions can be more effec-tive in comparison with traditional wheeled and tracked vehicles. For this reason they find appli-cation for works in extreme conditions. Use of the walking robots is perspective at implementation of new soil-saving technologies in forestry and agriculture. The known robotic tractors have, as a rule, tracked or wheeled type of mover. Traction properties of such tractors are limited by adhe-sion. They can realize the maximum traction force, despite of their high power saturation, less than body weight (the adhesion coefficient even for good soil does not surpass 0.8-1). The walking machines have no this disadvantage. At the same time, the speed of movement of the walking trac-tors is limited because of high power costs for overcoming inertial forces in each cycle (step) of the movement. In work the possibility of partial mutual compensation of energy consumption on implementation of useful "traction work" with other components of costs of the movement is dis-cussed. Modeling of dynamics of the walking robot with cyclic movers at realization of traction efforts is carried out. The walking movers of this type differs by simplicity and reliability. Cyclic dependences of the main components of energy consumption (spent for overcoming cyclic inertial forces in the mover for fluctuations of the frame, caused by the walking way of movement, for pressing of soil and for implementation of useful "traction work") are defined. In the analysis it was considered that power costs of performance of traction work, due to course unevenness of the movement, changes depending on a cycle phase, and power losses on pressing of soil take place only at a feet changing. The analysis was based on kinematic and inertial characteristics of the walking movers of a number of experimental samples of the walking machines and robots. The possibility of mutual compensation of various components of energy consumption of the walking robotic systems intended for realization of considerable traction efforts is investigated. It is shown that there is a basic possibility of development of such walking mover, where various costs of pow-er will be in antiphase, or their maximum will be displaced in time. Thereby it is possible to solve a task of increasing of energy efficiency of the walking robotic systems movement. Results of work can be demanded in developing both in simplest walking machines, for example tractors for agri-cultural purposes, and for the difficult robotic systems, intended for executing of soil works with deficit of adhesion weight, for example, in underwater conditions or in the conditions of the weak-ened gravitation.
References
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.
