Волгоградский государственный технический университет
Под реконфигурируемым устройством понимается объект способный к трансформации формы и размеров по командам системы управления, выполняемым под действием приводов, или по условиям взаимодействия с другим объектом (пространством) посредством взаимодействия подвижных сочленений (упругих связей). Характерно применение реконфигурируемых конструкций (рис. 1) в составе крыльев летательных аппаратов, рабочих элементов захватных устройств, адаптивных опор механизмов шагания [1-2], их особенностью является взаимодействие характерных точек каждого из модулей с окружающим объектом (пространством).
Для получения заданной реконфигурации, и поддержания полученного состояния при наличии внешних возмущающих воздействий необходимо определение способа, функции и механизма управления. Цель работы – определение функции оптимального управления реконфигурируемым изделием для трансформации в заданное состояние и поддержания требуемой конфигурации при наличии возмущающих факторов. В зависимости от характера реконфигурации и требований к результату рассматриваются следующие основные способы: задание времени реконфигурации изделия; оптимизация процесса по току и скорости в пределах заданного времени; определение полученной реконфигурации по датчикам ОС положения электропривода и мехатронного узла; автоматическое отслеживание отклонения от заданного положения; очувствление процесса по току электродвигателя, по возникающим усилиям и изменению формы объекта реконфигурации.
Задача оптимизация процесса реконфигурации по току и скорости в пределах заданного времени управления захватным устройством приобретает первичную математическую формулировку - найти функции i(τ) и v(τ) доставляющие максимум интегралу a(τ). Решение задачи оптимального управления подразумевает определение некоторого управляющего параметра, обеспечивающего управление электроприводом с заданными ограничениями. Максимум интеграла достигается при параболической диаграмме скорости вращения и линейной диаграмме якоря [3].
Исследование выполнено за счет средств программы развития ВолгГТУ «Приоритет 2030», в рамках научного проекта No 35/637-24.
1. Разработка комплекса испытательных средств для исследования адаптивных реконфигурируемых структур / М. Ю. Ветлицын, Н. Г. Шаронов, А. В. Малолетов, В. В. Николаева // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2023. – No 4. – С. 99-106.
2. Макарова Е. А. Адаптивные захваты робототехнических систем / Е. А. Макарова, М. Ю. Ветлицын, Н. Г. Шаронов // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2023. – No 4(275). – С. 57-63.
3.Петров Ю.П. Оптимальное управление электрическим приводом с учетом ограничений по нагреву. Ленинград. Энергия, 1971. 145 с.
Михаил Юрьевич Ветлицын
Волгоградский государственный технический университет
Рис. Схема гибридного манипулятора
Активное внедрение систем автоматизации в промышленное производство характеризуется применением манипуляторов с различными кинематическими схемами. Особое применение нашли манипуляторы гибридной структуры, которые могут быть использованы для механической обработки крупногабаритных объектов. Особенность таких конструкций заключается в сочетании достоинств манипуляторов последовательной структуры (большая рабочая зона, маневренность) и манипуляторов параллельной структуры (высокие жесткость и точность позиционирования, возможность высокоскоростной обработки). Манипулятор содержит три линейных исполнительных звена (1, 2, 3), связанных с поворотным основанием в точках A, B, C с помощью двух подвижных шарниров, другие концы исполнительных звеньев закреплены с помощью сферических шарниров на выходном звене 6. Дополнительная связь в виде полой трубы 5 обеспечивает жесткость конструкции. Четвертый линейный привод 4 обеспечивает поворот треугольного основания вокруг горизонтальной оси. В работе ставится задача адекватного представления модели динамики манипулятора гибридной структуры с дополнительной связью.
Для описания динамической модели манипулятора, принимаем, что механизм состоит из четырех твердых тел: звено AD – электроцилиндр, состоит из двух твердых тел – цилиндра и штока. Цилиндр совершает вращательное движение вокруг неподвижной оси, параллельной оси Ox, шток совершает плоское движение. Звено ABC (поворотное основание), также является твердым телом, вращающимся вокруг неподвижной оси Ox (BC). При разработке систем управления манипуляторами необходимо предварительно рассчитывать требуемые законы изменения управляющих сигналов приводных двигателей, для этого необходимо сформировать динамическую модель манипулятора.
Представлена математическая модель динамики движений манипулятора гибридной структуры с дополнительной пассивной связью, сформированная с помощью уравнений Лагранжа 2-ого рода.
Исследование выполнено за счет средств программы развития ВолгГТУ «Приоритет 2030», в рамках научного проекта №25/639-24
1. Жога В.В., Нелюбова А.В. Обоснование расчетной схемы динамики манипулятора параллельно-последовательной структуры с дополнительной связью // Известия ВолгГТУ. Сер. Роботы, мехатроника и робототехнические системы. 2024. № 4. С. 60–65.
2. Жога В.В., Дяшкин-Титов В.В., Воробьева Н.С., Дяшкин А.В. Динамика и синтез управляющих сигналов манипулятора параллельно-последовательной структуры // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 8. С. 3-12.
Анна Васильевна Нелюбова
Волгоградский государственный технический университет
В настоящее время находят применение новые технологии освоения ресурсов морского дна, основанные на добычных роботах, перемещающихся по дну. Уже осуществляется практическая реализация таких проектов на базе донных гусеничных машин «тяжелой» весовой категории. Их масса доходит до нескольких сотен тонн. Использование гусеничных машин на водонасыщенных донных грунтах не всегда эффективно. Шагающие машины в подводных условиях обеспечивают более высокую проходимость. Вместе с тем, шагающий способ передвижения требует дополнительных затрат мощности на преодоление сил инерции в каждом цикле (шаге) движения.
Обсуждаются результаты моделирования динамики 6-ти-ногого шагающего робота с движителями циклового типа. Исследовалось влияние массы корпуса робота на структуру его энергозатрат. При моделировании использовались теоретические и экспериментальные результаты, полученные в ходе разработки и испытаний шагающего аппарата МАК-1 [1, 2]. Вид аппарата представлен на рисунке.
Определена структура энергозатрат шагающего робота с увеличенными массой и габаритами при различных скоростях передвижения. Анализ показал, что наиболее существенны затраты мощности на вертикальные колебания корпуса, на преодоление цикловых сил инерции в движителе и на преодоление курсовых сил инерции корпуса, обусловленных неравномерностью передвижения. В ходе моделирования учитывалось увеличение масс и моментов инерции звеньев шагающего движителя при увеличении его габаритов. Выбор поперечных сечений звеньев ног осуществлялся из условия обеспечения равнопрочности сравниваемых образцов.
Установлено, что «тяжелые» шагающие машины имеют меньшую динамическую нагруженность, что связано, в основном, с уменьшением угловых скоростей в приводе при увеличении длины шага. В результате уменьшается доля дополнительных затрат мощности, обусловленных шагающим способом передвижения. Также необходимо отметить, что «большие» шагающие машины, из-за увеличенной длины и высоты шага, будут иметь лучшую профильную проходимость в сравнении с аналогами меньшего размера.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда No 23-29-00720, https://rscf.ru/en/project/23-29-00720/.
1.Чернышев, В. В. МАК-1 - подводный шагающий робот / В. В. Чернышев, В. В. Арыканцев // Робототехника и техническая кибернетика. – 2015. – No 2(7). – С. 45-50.
2.Design and underwater tests of subsea walking hexapod MAK-1 / V. V. Chernyshev, V. V. Arykantsev, A. E. Gavrilov, and others // Proceedings of the ASME 2016 35th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE 2016. Busan, 2016. – 9 p.
Михаил Юрьевич Ветлицын
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
В последние годы, сфера космической робототехники активно развивается. Большинство космических агентств имеет летающих роботов на МКС, используемых в научных и образовательных целях. Похожие роботы понадобятся и на Российской орбитальной станции. Таким образом, назрела необходимость в создании российского подобного робота, и одним из первых шагов в создании новой технической системы является создание испытательного стенда.
Одним из самых популярных видов стендов для симуляции микрогравитации является платформа на аэроподшипниках [1]. В нашей лаборатории мы разработали собственные аэроподшипники, воспроизведя результаты, описанные в литературе, и создали платформу для тестирования летающих роботов. Типичный максимальный вес, при котором аэроподшипник всё еще может поддерживать рабочую толщину воздушной подушки – около 15кг [2], что было подтверждено и нашими экспериментами. Эксперименты по измерению трения показывают, что для созданного стенда характерно сухое трение с коэффициентом примерно k=0.0045, что показывает его хорошую пригодность для симуляции условий микрогравитации. Для сравнения, на малых скоростях, сила трения всего на порядок больше, чем сопротивление воздуха. При этом, чем выше скорость стойки, тем меньше будет эта разница (при скорости ~1м/с трение стойки о поверхность и об воздух будет примерно равным).
Кроме того, нам удалось расширить типичный для таких стендов функционал, добавив Aruco-маркеры и подвесную камеру, а также модуль IMU и коммуникации. Все эти сенсоры и данные интегрированы с сервером обработки с помощью ROS и предоставляются пользователю как топики (потоки) данных. Это позволяет нам собирать и анализировать все данные о движении стенда (положение, ориентация, скорости, ускорения), записывать и визуализировать траектории и пр. Такой интегрированный стенд предоставляет новые возможности для разработки роботов, и сейчас планируется использовать его для создание летающего робота для РС МКС.
1. Rekleitis G., Tortopidis, I., Paraskevas, Iosif S., Dimitrios P. The NTUA Simulators for Space Robots on Orbit // 1st Hellenic-European Student Space Science and Technology Symposium. Октябрь 2006.
2. Plante J.-S., Vogan J., El-Aguizy T., Slocum, A.H. A design model for circular porous air bearings using the 1D generalized flow method // Precision Engineering. 2005 г. с. 336-346.
Игорь Владимирович Бесчастнов
