УПРАВЛЯЕМОЕ ДВИЖЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ С ДВИЖИТЕЛЯМИ, ПЕРИОДИЧЕСКИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИМИ С ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Е.С. Брискин

, Я.В. Калинин

, Н.Г. Шаронов

1

Волгоградский государственный технический университет, Волгоград

2

Центр технологий компонентов робототехники и мехатроники, Иннополис dtm@vstu.ru

Аннотация. Проанализированы особенности динамики управляемого движения шагающих роботов

«Восьминог» и «Ортоног». Рассмотрены роботы с «шагающеподобными» типами движителей и поставлены задачи развития теории их управляемого движения. Предложены решения некоторых задач, улучающих качество движения таких роботов.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 18-71-10069.

Введение

Как правило движителями мобильных роботов являются движители, непрерывно взаимодействующие с опорной поверхностью. К таким движителям относятся колесные, гусеничные и др. Управление движением таких мобильных роботов достаточно хорошо разработано и включает в себя результаты исследований тягово- динамических свойств, маневренности, профильной и опорной проходимости и др. [1, 2, 3]. Однако для мобильных роботов с цикловыми движителями [4] периодически взаимодействующими с опорной поверхностью (например, робот «Восьминог») имеются особенности в методах управления, которые проявляются в частности в учете дополнительных сил сопротивления при тягово-динамическом расчете. Для мобильных роботов с ортогонально-поворотными движителями (например, робот «Ортоног»), имеющих три независимых привода управление способно обеспечить «идеальную маневренность», под которой понимается возможность осуществления роботом любого наперед заданного плоского движения [5]. Для мобильного робота, в состав которого включены дополнительные подъемные движители повышается профильная проходимость [6].

Особенности динамики управляемого движения мобильных роботов с «шагающеподобными» типами движителей

Роторно-ортогональные движители [7] (рис. 1), являющиеся развитием ортогонально-поворотных допускают увеличение скорости движения без ухудшения комфортабельности и энергоэффективности за счет лучшей уравновешенности.

Особенность динамики управляемого движения мобильных роботов с тросовыми и якорно-тросовыми движителями [8, 9] состоит в том, что с их помощью можно притягивать и к себе корпус робота. Это накладывает определенные ограничения на их параметры, места установки движителей и методы перемещения их в новое положение. Область применения таких движителей – роботы-понтоны, перемещающиеся по дну водоемов (рис. 2), роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям (рис. 3).

Управление роботами с поворотно-заклинивающими движителями [10] (рис. 4) основано на выборе последовательности работы приводов, зависящей от расположения опорных элементов (деревьев в лесу, выступающих частей промышленных сооружений и др.), обеспечивающих минимум комплексного критерия качества, состоящего из нескольких показателей (усилия в приводах, энергоэффективность и др.).

Применение вибрационно-заклинивающих движителей [8] целесообразно при перемещении по цилиндрическим или близким к ним поверхностям, произвольно расположенных в пространстве (рис. 5). В основу работы таких движителей положены принципы виброперемещения [11, 12]. Управление может осуществляться за счет периодического изменения усилий в приводах, частоты и (или) амплитуды колебаний исполнительных механизмов. При различных условиях, эффективность, оцениваемая комплексным критерием, оказывается различной.

Управление качеством движения

Для обеспечения требуемых показателей качества у всех типов роботов необходимо предусматривать согласованную работу приводов. Так для повышения тягово-сцепных свойств мобильных роботов с шагающими движителями возможно управлять положением и ориентацией стопы [13], дополнительно на неё воздействовать вибрационной нагрузкой [8], а для мобильных подводных роботов целенаправленно изменять и плавучесть, например, за счет подъема или опускания якорей [9].

«Идеальная маневренность» для робота с ортогонально-поворотными или роторно-ортогональными движителями обеспечивается согласованной работой всех приводов, приводящих в движение движители, взаимодействующие с опорной поверхностью. Достигается это системой управления, характеризуемой матрицей управления [5].

Рис. 1. Роторно-ортогональный движитель с управляемой

длиной звеньев Рис. 2. Якорно-тросовый движитель:

1 – начальное положение, 2 – конечное положение

Рис. 3. Робот с тросовыми движителями:

1 – корпус, 2 – опоры, 3 – тросы, 4 – приводные двигатели, 5 – управляющее устройство

Рис. 4. Поворотно-заклинивающий движитель:

1 – вертикальные опоры, 2 – движители

Рис. 5. Вибрационно-заклинивающий движитель Рис. 6. Дождевальная машина «Кубань»

Повышение энергетической эффективности за счет снижения уровня тепловых потерь в приводных двигателях достигается за счет выбора оптимального режима движения, в том числе за счет отказа от равномерного движения корпуса [14], выбора походки [15], управления касательной жесткостью стопы движителя [16]. Это согласуется с известными результатами исследований двуногой ходьбы [17].

1

1 2

2

Повышение показателя профильной проходимости достигается за счет введения дополнительных приводов и звеньев, а энергоэффективность обеспечивается необходимым режимом движения переносимой стопы [18].

В определенных ситуациях количество приводных двигателей мобильных роботов может быть меньше числа учитываемых его степеней свободы, но обеспечивать задаваемое программное движение. Такое явление, например, установлено для дождевальных машин (рис. 6), представляющих собой систему сочлененных твердых тел и опирающихся на опорную тяговую тележку, способную поворачиваться вокруг вертикальной оси, связанной с фермой дождевальной машины [19].

Заключение

1. Приведены промежуточные итоги разработок шагающих роботов «Восьминог», «Ортоног» и элементов теории, описывающей их управляемое движение.

2. Рассмотрены особенности динамики движителей, периодически взаимодействующих с различными поверхностями и поставлены задачи развития теории управляемого движения мобильных роботов с такими движителями.

Литература

1. Интеллектуальные роботы / И.А. Каляев [и др.]; под общ. ред. Е.И. Юревича. – М.: Машиностроение, 2007. 360 с.

2. Е.И. Юревич. Основы робототехники – 2-е изд. перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 417 с.

3. Передвижение по грунтам Луны и планет / В.В. Громов, Н.А. Забавников, А.Л. Кемурджиан [и др.]; под ред. А.Л.

Кемурджиана. - М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

4. Динамика и управление движением шагающих машин с цикловыми движителями / Е.С. Брискин [и др.]; под ред. Е.С.

Брискина. – М.: Машиностроение, 2009. 191 с.

5. Е.С. Брискин, И.П. Вершинина, А.В. Малолетов, Н.Г. Шаронов. Об управлении движением шагающей машины со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2014. № 3. С. 168.

6. Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, В.В. Жога, А.В. Малолетов, Н.Г. Шаронов, Н.Е. Фролова. Концепция проектирования, динамика и управление движением шагающих машин. Ч.3. Алгоритмы управления движением шагающих машин серии восьминог и экспериментальные исследования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 7. С. 13-18.

7. Е.С. Брискин, А.В. Малолетов, Н.Г. Шаронов, С.С. Фоменко, Я.В. Калинин, А.В. Леонард. Development of Rotary Type Movers Discretely Interacting with Supporting Surface and Problems of Control Their Movement // ROMANSY 21 – Robot Design, Dynamics and Control: Proceedings of the 21st CISM-IFToMM Symposium (Udine, Italy, June 20-23, 2016) / ed. by V. Parenti- Castelli, W. Schiehlen. – [Switzerland]: Springer International Publishing, 2016. – P. 351-359. – (Ser. CISM International Centre for Mechanical Science. Courses and Lectures; Vol. 569).

8. Е.С. Брискин, Я.В. Калинин, А.В. Малолетов, Н.Г. Шаронов. Mathematical Modelling of Mobile Robot Motion with Propulsion Device of Discrete Interacting with the Support Surface // 9th Vienna International Conference on Mathematical Modelling (MATHMOD 2018) (Vienna, Austria, February 21-23, 2018): [Proceedings preprints] / TU Wien, Institute for Analysis and Scientific Computing, Research Group Mathematical Modelling and Simulation, Institute of Automation and Control. – Wien (Austria), 2018. – P. 259-264.

9. Е.С. Брискин, Н.Г. Шаронов, В.А. Серов, И.С. Пеньшин. Управление движением подводного мобильного робота с якорно- тросовыми движителями // Робототехника и техническая кибернетика. 2018. № 2 (19). С. 39-45.

10. Е.С. Брискин, Н.Г. Шаронов, В.С. Барсов. Об энергетически эффективных режимах движения роботов с поворотно- заклинивающими движителями // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19. № 2. С. 100-103.

11. И.И. Блехман, Г.Ю. Джанелидзе. Вибрационное перемещение. М.: Наука, 1964. 412 с.

12. F.L. Chernousko, N.N. Bolotnik, T.Y. Figurina. Optimal control of vibrationally excited locomotion systems // Regular and Chaotic Dynamics. 2013. Т. 18. № 1-2. С. 85-99.

13. Е.С. Брискин, В.В. Чернышев, А.В. Малолетов, Н.Г. Шаронов. Сравнительный анализ колесных, гусеничных и шагающих машин // Робототехника и техническая кибернетика. 2013. № 1 (1). С. 6-14.

14. Е.С. Брискин, Я.В. Калинин. Об энергетически эффективных алгоритмах движения шагающих машин с цикловыми движителями // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2011. № 2. С. 170-176

15. Е.С. Брискин, Я.В. Калинин. Effect of gait on the energy consumption of walking robots // Vibroengineering Procedia. Vol. 8: proc.

of 22nd International Conference on Vibroengineering (Moscow, Russia, 4-7 October 2016). – Kaunas (Lithuania): Publisher JVE International Ltd., 2016. – P. 346-350.

16. Е.С. Брискин, Я.В. Калинин. Учёт нелинейных механических эффектов при построении оптимальных законов управления шагающими роботами // Десятая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ–2017): матер. 10-й всерос. мультиконф. (с. Дивноморское, Геленджик, Россия, 11-16 сентября 2017 г.). В 3 т. Т. 2: тез. докл. локальной науч.- техн. конф. «Робототехника и мехатроника» (РиМ-2017) / редкол.: И.А. Каляев (отв. ред.) [и др.]; РФФИ (проект № 17-08- 20458-г.), Ин-т проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Южный федерал. ун-т, НИИ многопроцессорных вычислительных систем им. акад. А.В. Каляева ЮФУ [и др.]. - Ростов-на-Дону; Таганрог, 2017. - C. 26-28.

17. В.В. Белецкий. Двуногая ходьба: Модел. задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. - 286 с.

18. М.В. Мирошкина, Е.С. Брискин, Л.Д. Смирная. Об оптимальных режимах движения шагающих машин при движении по неровному грунту // Прогресс транспортных средств и систем – 2018: материалы междунар. науч.-практ. конф. (г.

Волгоград, 9-11 октября 2018 г.) / редкол.: И.А. Каляев, Ф.Л. Черноусько, В.М. Приходько [и др.]; ВолгГТУ, РФФИ,

«ФНПЦ «Титан–Баррикады». - Волгоград, 2018. - C. 142-144.

19. К.Ю. Лепетухин, А.В. Малолетов, Е.С. Брискин. О критериях оптимизации движения секций дождевальной машины кругового действия при обработке полей сложной формы // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2018. № 8 (218). С. 117-121.

СПЕЦИФИКА РАБОТЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ