Maloletov-diss
.pdf
201
а) |
б) |
в)
Рисунок 4.3 — Механизм шагания с рычажным механизмом коррекции. а) схема механизма, б) относительная траектория опорной точки механизма без корректора, в) относительная траектория опорной точки механизма с корректором,
1 — кривошип, 2 — шатун, 3 — коромысло, 4 — стопа, 5 — кривошип корректора, 6 — шатун корректора.
На рисунке 4.4 показаны зависимости от весового коэффициента, соответствующего вертикальным перемещениям корпуса машины на каждом шаге, следующих частных критериев качества:
•длина шага H1;
•высота вертикальных перемещений корпуса на каждом шаге H2;
•неравномерность горизонтальной скорости в опорной фазе H3;
•максимальное ускорение стопы в опорной фазе H4;
•максимальное ускорение стопы в фазе переноса H5;
•скорость стопы в момент постановки её на грунт H6.
202
H1, м
H2, м
H3
H4, м/с2
H5, м/с2
H6, м/с
k1
Рисунок 4.4 — Изменение частных показателей качества в зависимости от весового коэффициента высоты вертикальных перемещений корпуса при использовании механизма-корректора.
4.3.Оптимизация структуры машины со сдвоенными шагающими движителями
Методы структурной оптимизации особенно актуальны для машин, построенных на модульном принципе, который использовался например при разработке машины «Ортоног» и дождевальной машины с шагающими
203
движителями. Применение отдельных модулей позволяет наращивать возможности машины, собирая из однотипных модулей транспортный агрегат необходимого состава, а также предполагает возможность реконфигурации аппарата во время движения путём отключения или включения некоторых приводов (механизмов шагания, движителей) и блокировки соответствующих степеней свободы.
4.3.1.Построение расчётной схемы модульной шагающей машины
Шагающие машины часто имеют избыточное количество движителей или механизмов шагания, что позволяет использовать для организации движения только часть из них. Такая необходимость может возникнуть при преодолении некоторых типов препятствий или в случае выхода из строя одной из ног аппарата. С другой стороны, увеличение количества движителей или объединение нескольких шагающих аппаратов в один комплекс может быть востребовано для увеличения грузоподъёмности машины, повышения её проходимости и улучшения других характеристик. Поэтому в ряде случаев исследователи закладывают в свои разработки возможности реконфигурации [331, 350, 386].
Например, в шагающей машине «Ортоног» имеются 4 сдвоенных шагающих движителя (рисунок 4.5), каждый из которых состоит из двух плоских ортогональных механизмов шагания с общим поворотным приводом и имеет таким образом 5 управляемых степеней свободы. Каждый привод, каждый механизм шагания и каждый движитель представляют собой отдельные модули, которые можно заменять или выключать. Движители также можно целиком добавлять в кинематическую схему машины или исключать из неё.
204
а) |
б) |
Рисунок 4.5 — Ортогонально-поворотный движитель машины «Ортоног».
Шагающие машины модульной структуры (рисунок 4.6.а) допускают реконфигурацию кинематической схемы. Модульный принцип построения шагающей машины не только позволяет наращивать её возможности, собирая из однотипных модулей транспортные агрегаты необходимой грузоподъёмности, но и предполагает возможность реконфигурации аппарата во время движения путём отключения или включения некоторых приводов (механизмов шагания, движителей) и блокировки соответствующих степеней свободы. При этом следует учитывать, что устройство используемых приводов таково, что в выключенном или нерабочем состоянии привод блокирует соответствующую степень свободы.
В частности, машина «Ортоног» состоит из рамы и четырёх модулей сдвоенных ортогонально-поворотных движителей. Модули движителей в свою очередь включают в себя модуль поворотного привода и два модуля механизмов шагания, каждый из которых собирается из двух модулей линейных приводов: курсового перемещения и привода адаптации (рисунок 4.6.б). Всего сдвоенный ортогонально-поворотный движитель содержит пять модулей приводов, и его можно условно разделить на две ноги, считая что привод поворота является
205
общим для обеих ног. Шагающая машина «Ортоног», таким образом, имеет 20 управляемых степеней свободы, некоторые из которых могут быть отключены.
Одна из ключевых проблем при реконфигурации состоит в необходимости исследовании условий возможности и целесообразности включения или отключения того или иного привода. Целесообразность реконфигурации определяется такими факторами как повышение энергетической эффективности, необходимость перешагнуть препятствие, не наступая на него, и другими. А возможность реконфигурации определяется определяется необходимостью сохранения статической устойчивости и сохранения достаточного числа управляемых степеней свободы, чтобы обеспечить необходимые локомоции аппарата.
Рассматриваются походки, обеспечивающие кинематически точные режимы движения при выполнении необходимых условий статической устойчивости.
а) |
б) |
Рисунок 4.6 — Кинематическая схема модульной шагающией машины: а) вид сверху (на каждом движителе один из механизмов шагания условно показан находящимся в опоре на грунт); б) схема ортогонально-поворотного шагающего движителя с приводами, допускающими отключение.
206
4.3.2.Особенности походок шагающих машин со сдвоенными движителями
В соответствии с [195], под походкой понимается последовательность фаз опоры и переноса отдельных ног (механизмов шагания). Такое определние допускает использование термина «походка» как для машины в целом, так и для отдельных движителей, состоящих из двух или более механизмов шагания. Поскольку программное движение корпуса может быть достаточно сложным, рассматриваемые далее походки попадают в класс свободных походок [195], которые допускают произвольное изменение порядка и продолжительности фаз опоры и переноса в зависимости от особенностей опорной поверхности и требуемого движения корпуса. Для рассматриваемой машины в силу использования сдвоенных движителей можно выделить три типа свободных походок: полноопорные, неполноопорные и смешанные походки.
Полноопорные походки — это походки, обеспечивающие отсутствие в работе каждого движителя фазы переноса одновременно всех механизмов шагания, входящих с движитель. Полноопорные походки могуть быть реализованы движителями, состоящими из двух или более механизмов шагания, и машинами, построенными на основе таких движителей.
Неполноопорные походки — это походки обеспечивающие чередование в работе каждого движителя фазы опоры хотя бы на один из механизмов шагания и фазы переноса всех механизмов шагания, входящих в движитель. Такого типа походки реализуются, например, в машинах, каждый движитель которых представляет собой один независимый механизм шагания.
Смешанные походки — это походки обеспечивающие отсутствие в работе некоторых движителей фазы одновременного переноса всех механизмов шагания и наличие в работе других движителей чередования фазы опоры на один или несколько механизмов шагания и фазы переноса всех механизмов шагания, входящих в движитель.
207
В рассматриваемой машине полноопорная походка с использованием четырёх движителей гарантированно обеспечивает нахождение геометрического центра корпуса, с которым приблизительно совпадает центр масс, в переделах опорного многоугольника при любом геометрически реализуемом движении корпуса. Поэтому в базовой конфигурации машины, включающей в себя все 20 приводных модулей, использование полноопорных походок является предпочтительным.
Однако, кинематические схемы многих машин позволяют осуществлять пространственное программное движение корпуса и при использовании только части имеющихся приводов. Например, для машины «Ортоног» можно организовать полноопорную походку с опорой на три движителя, используя только 15 приводов.
Для организации неполноопорных походок достаточно использовать четыре механизма шагания, принадлежащие разным движителям и имеющие в сумме 12 управляемых приводов. Требование статической устойчивости означает, что машина должна опираться на три механизма шагания, в то время как четвёртый находится в переносе. В частном случае, при прямолинейном программном движении центра корпуса, этот режим соответствует последовательной походке.
Возможны режимы движения, при которых будет задействовано более 12 и менее 20 приводов и будет обеспечено пространственное движение корпуса. А если допустить некоторые ограничения на движение корпуса, то движение машины возможно и при меньшем количестве управляемых степеней свободы. При этом могут быть реализованы походки смешанного типа.
Хотя практическая реализация движения с использованием меньшего количества механизмов шагания представляет определённые сложности, связанные с необходимостью контролировать положение центра масс машины относительно опорного многоугольника [45], такие режимы движения являются вполне допустимыми.
208
Таким образом, для организации программного движения корпуса имеющиеся 20 управляемых степеней свободы избыточны. Использование меньшего количества приводов, позволяет эксплуатировать машину и в тех ситуациях когда использование всех приводов нежелательно или невозможно. Например: при выходе некоторых приводов из строя, при невозможности опирания на один из механизмов шагания из-за особенностей опорной поверхности, и в других ситуациях.
Основным типом походки для машины с СОП движителями является полноопорная походка — походка при которой в каждый момент времени хотя бы один из механизмов шагания каждого движителя находится в фазе опоры. При движении машины «Ортоход» с опорой на все четыре движителя, гарантированно сохраняется положительный запас статической устойчивости — кратчайшее расстояния от проекции центра масс машины на горизонтальную плоскость до границы опорного многоугольника.
В [163] показано, что при движении с опорой на три СОП движителя возможно обеспечить кинематически точную полноопорную походку и произвольное пространственное программное движение корпуса машины, но одной из основных проблем практической реализации такого движения является необходимость контроля за положением опорного многоугоугольника относительно центра масс машины.
Регулярная полноопорная походка шагающей машины с тремя СОП движителями с прямолинейным поступательным движением корпуса должна обеспечивать такое состояние шагающей машины, которое соответствует максимально возможному запасу статической устойчивости.
Одним из способов описания состояния машины является способ, когда находящийся в фазе опоры механизм шагания обозначается символом 0, а механим, находящийся в фазе переноса — символом 1. Последовательность состояний определяет походку шагающей машины.
209
В случае полноопорной походки состояние каждого движителя, включающего в себя два механизма шагания, будет меняться из {0 1} в {1 0} и наоборот. Если продолжительность фаз опоры и переноса одинаковы и разность фаз между движителями равна нулю, то переступание ног на каждом из движителей происходит одновременно и состояние механизмов одновременно меняется на противоположное. Такую походку можно определить как синхронную.
При отключении одного из движителей, его механизмы шагания фиксируются в поднятом положении и формально находятся в фазе переноса. Состояние такого движителя обозначается символами {1 1}.
Для машины, использующей три работающих в полноопорном режиме сдвоенных движителя существует четыре синхронных полноопорных походки. За счёт симметрии, характерной например для машины «Ортоног», не существенно какой именно из четырёх движителей будет отключён. В качестве примера в выражениях (4.4) записаны синхронные полноопорные походки машины при отключении движителя номер 2.
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
q1={1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0} |
q2={1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1} |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
(4.4) |
1 |
|||||||||||||||
q3={1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 1 |
0} |
q4 ={0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0} |
|
На рисунке 4.7 показана диаграмма синхронной полноопорной походки q1.
210
Рисунок 4.7 — Диаграмма регулярной полноопорной походки для трёх СОП движителей. Сплошные линии — механизм шагания в фазе опоры, пунктирные — в фазе переноса, T — период.
Для каждой походки могут быть реализованы различные стили движения. В частности прямолинейное движение центра корпуса может быть организовано двумя различными стилями: «линейным» и «вёсельным».
При «линейном» стиле движения направляющие приводов курсового движения механизмов шагания ориентированы параллельно направлению движения корпуса, поворотные приводы зафиксированы, и перемещение корпуса осуществляется за счёт работы курсовых приводов (рисунок 4.7.а, б).
При «вёсельном» стиле движения (рисунок 4.7.в, г, д, е) движители не остаются параллельными направлению движения корпуса. Направляющие приводов курсового движения каждого движителя совершают возвратновращательные движения. За счёт согласованной работы курсовых и поворотного приводов стопы движутся относительно корпуса по прямолинейным траекториям. При этом стопа одного из механизмов шагания каждого движителя занимает крайнее дальнее положение от оси поворотного привода, проходит больший путь, и при опоре на неё машина осуществляет прямой ход. А стопа второго механизма