Диссертация (786394), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Максимальная степень защиты внутренних функциональных элементов и внешних рабочих органовмобильных роботов существенно повышает сложность конструкции, массогабаритные характеристики, что негативно сказывается на маневренности,эффективности и точности позиционирования мобильных робототехническихсистем при реализации алгоритмов управления. Таким образом, актуальнымявляется создание транспортных средств, в которых изначально конструкционно заложена высокая степень защиты внутреннего пространства благодаряминимальному количеству внешних рабочих органов.Сферические роботы обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными колесными или ходящими роботами: защищённостьсистемы управления и конструктивных элементов робота от механическихвоздействий или неблагоприятных условий внешней окружающей среды; подвижность внутренних приводных механизмов не зависит от условий поверхности, по которой движется сферическая оболочка; омнинаправленность, т.е.способность двигаться в любом направлении, без дополнительных маневров;меньшая сила давления на поверхность, что позволяет двигаться сферороботупо сыпучим материалам, снегу и воде.
Одним из перспективных направленийразработки сферических роботов является их потенциальная возможность перемещаться из одной среды в другую, например по воде и по суше, существенно расширяя область использования мобильных роботов.Следует отметить, что большинство работ, посвящённых сферическим роботам, ограничивается рассмотрением кинематических моделей, в виду сложности динамики подобных систем и отсутствием универсальных моделей трения, пригодных для описания контактного взаимодействия.
Задача движениятвердого тела по неподвижной опорной поверхности относиться к числу классических задач динамики твердого тела, однако, построить общие интегралыуравнений движения и получить качественные выводы о динамике тел исследователям удалось лишь в частных случаях. Существенный вклад в развитиеотечественных современных исследований внесли В.В. Козлов, А.П. Иванов,15В.Ф. Журавлев, Ю.
И. Неймар, Н.А. Фуфаев, А.В. Карапетян, А.В. Борисов,И.С. Мамаев и др. Основное отличие подходов исследователей - это выборматематической модели взаимодействия движущегося тела и опорной поверхности: движение по абсолютной гладкой плоскости, движение по абсолютношероховатой плоскости, сухое трение на площадке контакта, вязкое трениеи т.п. Обзор работ по исследованию динамики качения шара по шероховатойплоскости, а также модели сил трения, и основанные на них модели динамикишара представлены в работах П.К. Плотникова [36] и М.В. Ишханян [35].Однако, разработанные модели взаимодействия, в виду их сложности, в явномвиде не могут быть использованы при расчете управляющих воздействий изуравнений движения с учетом трения. На практике, данная проблема решается использованием в системах управления информации с датчиков обратнойсвязи и различного рода регуляторов.1.2.
Анализ конструкций сферических роботовПервые модели сферороботов появились ещё в конце двадцатого века, ав течении последнего десятилетия создано более десятка различных моделей,реализующих различные принципы приведения сферической оболочки в движение. Прототипами современных сферороботов являются самодвижущиесямеханические игрушки в форме сферы, появившиеся ещё в конце девятнадцатого столетия [21]. Наиболее полный обзор и анализ существующих конструкций сферических роботов на русском языке представлен в работе [20].Ж.
Винцент и Р. Армур в работе [22] одними из первых привели классификацию сферических роботов в тесной взаимосвязи с существующими в природеспособами качения, провели анализ действующих моделей и сравнили их достоинства и недостатки. В работе финских учёных Т. Иликорпи и Ю.Суомела[21] представлен анализ патентов, посвящённых созданию самодвижущихся16сферических игрушек, сферических транспортных средств и мобильных платформ, в том числе тех, внутри которых может находится человек. Представленанализ движителей и приводных механизмов, а также источников энергии,необходимых для приведения сфероробота в движение и управления.Все известные способы приведения в движение сферических роботовможно разделить на четыре группы:1) за счёт изменения положения центра масс;2) за счёт изменения гиростатического (кинетического) момента;3) за счёт изменения формы (деформации) сферической оболочки;4) комбинации предыдущих трёх групп.Роботы, приводные механизмы которых относятся к первой группе, наиболее распространены.
Для перемещения центра масс внутри сферическойоболочки используются такие варианты как система маятникового типа[26–29, 53], слайдеры или полозья, по которым движется масса [30, 31], различные тележки, катающиеся внутри шара [23, 24, 60]. В рассмотренных работах представлены не только теоретические модели движения, но и рассмотрены реальные конструкции и результаты экспериментальных исследований,направленных на изучение траекторий движения сферических роботов.Сферороботы второй группы, передвигаются за счёт создания переменного гиростатического (кинетического) момента [32–34, 42, 43, 61, 64], то естьдля управления шаром используется гиростатический эффект. Данный принцип исследовался многими учеными, в частности показана алгебраическаяуправляемость этой системы, получены законы управления [42, 43, 46, 64].
Ихработы основаны на задаче о качении уравновешенного динамически несимметричного шара по плоскости, поставленной ещё в конце XIX века С. А.Чаплыгиным [47]. Следует отметить, что в теории сферические роботы дан17ной группы обладают повышенной маневренностью и подвижностью, что напрактике требует от исполнительных механизмов (движителей) оптимальногосоотношения параметров: минимальной массы, максимального момента инерции. Двигатели и управляющая электроника должны обеспечивать максимально возможные ускорения на максимальном моменте.Третья группа, также развивающаяся в последнее время, реализуется засчёт деформации сферической оболочки [48].
Имея деформируемую оболочку, сфероробот может перемещаться и отрываться от поверхности, воспроизводя прыжок.Также следует отметить работы посвящённые созданию мобильных роботов с изменяемым способом передвижения, в особенности тех, для которых одним из способов передвижения (как правило, основным) является качение. В 2011г. норвежским инженером К.
Халворсеном [19] создан робот—трансформер, способный передвигаться как паук—гексапод, но для более скоростных перемещений по ровной поверхности робот трансформируется в сферу. Другой вариант комбинированного робота предложен в работе [79]. Сферическая оболочка данного робота имеет выдвижной сферический сегмент,который используется для преодоления препятствий.Далее рассмотрим конструкцию сферического робота с внутренней омниколесной платформой, разработанного в лаборатории Нелинейного анализа иконструирования новых средств передвижения.1.3.
Сферический робот с внутренней омниколеной платформой1.3.1. Описание конструкцииСферический робот действует на основе относительного движения несбалансированных масс, находящихся внутри полой сферы. Подвижный груз, перемещающийся по внутренней сферической поверхности, выполнен в виде18подвижной платформы на омниколесах (омнитележки). Сфероробот с омнидвижителем предназначен для перемещения по горизонтальной, наклоннойплоской поверхности, а также по поверхности с небольшими препятствиями.Движение сфероробота происходит за счет создания движущей силы (момента) при вращении омниколес платформы. Омниколеса опираются роликами на внутреннюю поверхность сферической оболочки и при вращении вызывают качение сферы по наружной опорной поверхности. Главной особенностью омниколесной платформы является то, что она способна осуществлятьтак называемое всенаправленное движение.
Направление движения платформы внутри сферы и самой сферы по опорной поверхности определяется соотношениями скоростей и направлений вращения омниколес. Сфероробот сомниколесной платформой способен выполнять сложные движения на плоскости, отрабатывать траектории движения, которые для других типов движителей являются невозможными. Например, он способен в любой точке траектории изменить направление движения на любое другое.Экспериментальная модель сфероробота была разработана, спроектирована и изготовлена для экспериментального исследования возможностей управляемого движения сфероробота.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
