The choice of the rational design of the mobile robot mover for urban environment

Full Text

Введение Развитие техники и технологий дает возможность исключить непосредственную работу человека в опасных условиях, заменив ее на дистанционное управление роботизированными комплексами. При этом все большее распространение получают МРК сверхлегкой весовой категории, имеющие массу до 30 кг. Ввиду их компактности и легкости переброски от одного объекта к другому они стали незаменимы в городской среде, например, при необходимости работ после техногенных аварий или терактов, для разминирования, устранения последствий выброса ядовитых веществ и т.д. Однако для сверхлегких МРК преодоление препятствий, встречающихся в городской среде и преодолеваемых с легкостью людьми или более крупной техникой, может стать непреодолимой задачей. В связи с этим актуальным вопросом является выбор типа движителя и его рациональных конструктивных параметров. В настоящей статье была создана динамическая модель МРК с параметризованной ходовой частью и исследовано движение различных вариантов МРК по типовым препятствиям - ступени и лестнице. Классификация городских препятствий МРК сверхлегкого класса, предназначенные для работ в условиях городской среды, встречаются с двумя типами препятствий: естественными и искусственными. Под препятствием подразумевается любой статический или движущийся объект, препятствующий заданному движению [1]. Первый тип препятствий может включать в себя как естественные неровности местности (особенности ландшафта), так и элементы флоры и фауны, встречающиеся на заданной местности, как то: кустарники, деревья, высокая трава, животные, птицы и т.п. К искусственным препятствиям можно отнести объекты техногенного происхождения: стены, ступени, столбы и опоры, разделительные барьеры, транспорт и т.д. Искусственные препятствия, встречающиеся в городской среде, можно разделить на подвижные и неподвижные. Их также можно разделить на две категории: случайные и неслучайные. Под случайными препятствиями следует понимать препятствия, не являющиеся продуктом целенаправленного труда человека. Например, крупный мусор, обломки зданий, образовавшиеся в результате аварии или взрыва, являются случайными препятствиями. Неслучайные препятствия сформированы целенаправленным трудом человека для обеспечения определенной функции. К ним можно отнести лестницы, пандусы, бордюры и разделительные ограждения, разделяющие части дорог, двери, столбы и опоры, стены и т.д. Часть из этих препятствий может быть преодолена, другая же (например, стена) объективно непреодолима. Особенность случайных препятствий заключается в невозможности предсказания их характеристик, частоты появления (в особенности при движении в зданиях) и, как следствие, возможности преодоления. В свою очередь, параметры, расположение и количество неслучайных препятствий известны заранее, что позволяет оператору выбрать наиболее рациональный маршрут движения с проработкой альтернативных вариантов. Типы и требования к движителям мобильных роботов Робототехнические системы (РТС) могут иметь как активный (работающий в ведущем режиме), так и пассивный (работающий в ведомом режиме) движитель [2]. Вне зависимости от способа обеспечения движения, движители можно классифицировать также по внешнему облику: колесные, гусеничные, шнековые, рычажные, водометные, комбинированные и т.д. Кроме этого, разделяют также симметричное и несимметричное расположение движителей относительно продольной или поперечной оси робота. Существует также деление по количеству движителей (например, двух-, трех-, четырехколесные или -гусеничные, и т.д.) Кроме этого, для колесных движителей существует классификация по схеме расположения (колесной формуле): 4×2, 4×2, 6×4, 6×6, 8×8 и т.д, а также по конструкции колеса (с резиновыми шинами или металлоупругими колесами). Необходимо также учитывать и возможность адаптации движителя к опорной поверхности. На основании этой классификации движители делят на адаптируемые и неадаптируемые. Значительное конструктивное разнообразие движителей вызвано, очевидно, различными условиями работы РТС. Например, для движения по грунтам других планет движители должны быть максимально легкими, а система подрессоривания, по возможности, должна быть интегрирована в движитель. Для таких условий подходят металлоупругие колеса с индивидуальным приводом. Для движения под водой рациональным будет винтовой или водометный движитель, обладающий коррозионной стойкостью. Анализируя возможные условия движения РТС, можно составить список основных требований к движителям: · создание системы внешних сил для перемещения МР в широком диапазоне условий взаимодействия движителя с поверхностью движения; · обеспечение высокой проходимости при преодолении искусственных и естественных препятствий; · высокий коэффициент полезного действия; · малый вес и габариты при необходимой прочности, долговечности и надежности; · простота, технологичность конструкции, удобство обслуживания и ремонта в полевых условиях, минимум регулировок и эксплуатационного обслуживания; · достаточная долговечность. Для движения в городских условиях к движителям МРК предъявляются дополнительные требования, обусловленные особенностями окружающей среды. Наиболее часто встречающимся чисто городским препятствием являются разного рода ступени, как в виде единичных неровностей (крышки люков, перепады высот между проезжей частью и тротуаром, между тротуаром и газоном и т.д.), так и в виде серии (лестницы, эскалаторы и т.д.). Наиболее высокой единичной неровностью является бордюр. Согласно ГОСТ Р 52767-2007 [3], высота бордюра должна составлять в любой его точке не более 10±1 см. Таким образом, МРК должен иметь возможность преодоления внезапного подъема или спуска с перепадом высоты не менее 0,110 м. Несколько сложнее сформулировать требования по преодолению лестничных пролетов, поскольку размеры ступеней и их форма могут сильно различаться: это как стандартные пролеты, так и эскалаторы, и самодельные конструкции. Очевидно, тем не менее, что МРК должен иметь возможность преодоления, по возможности, всех препятствий подобного рода. Анализ нормативной базы [4 - 7] по размерам лестничных пролетов и конструкции эскалаторов показывает, что определяющим фактором является ширина ступени, напрямую влияющая на предельную ширину МРК, и, как следствие, на его колею и базу из условия поворачиваемости. Номинальная ширина полотна эскалатора не должна быть меньше 0,58 м, то есть с учетом допустимых зазоров предельная ширина МРК должна быть не более 0,52 м. Существующие конструкции МРК схожих размеров и массы имеют ширину гусеницы 0,05…0,070 м. Таким образом, колея будет составлять 0,47…0,45 м. Размеры ступеней определяют требования к длине опорной поверхности (базе). Для стандартных лестничных пролетов по ГОСТ 8717.1-84 [7] размер ступени может принимать значения 330×145 мм либо 290×168 мм. Расстояние между кромками ступеней равно 360 мм и 335 мм соответственно. Размеры ступеней лестничного полотна эскалатора не должны превышать 0,24 м в высоту и 0,38 м в длину [5], что соответствует 0,45 м между кромками. Для эффективного преодоления ступеней эскалатора, таким образом, необходимо обеспечить либо радиус ведущего колеса (в основном для колесных движителей), больший высоты ступени, либо базу, большую удвоенного расстояния между ступенями (в основном, гусеничный движитель). Для шагающих, колесно-шагающих, движителей типа террастар и прочих требования будут определяться иначе. Увеличение радиуса ведущего колеса нецелесообразно, а зачастую и невозможно по компоновочным соображениям. Рационально применение гусеничного движителя. Для него характерен бортовой поворот, а соотношение базы и колеи, обеспечивающее устойчивое прямолинейное движение и возможность осуществления разворота и поворота, составляет 1,5…2,5 [8]. Тогда общая длина опорной поверхности МРК составит 0,675…1,175 м. Удвоенное расстояние между ступенями лестницы и полотна эскалатора находится в этом диапазоне. Поскольку МРК должен выполнять работу не только на улице, но и в помещениях, его полная длина должна определяться не только условиями поворачиваемости, но и возможностью развернуться в помещении. Согласно [9], минимальная ширина прохода к одиночному рабочему месту должна составлять не менее 0,7 м. Общая длина МРК, таким образом, не должна превышать 0,7 м. Выбор конструкции гусеничного движителя Наиболее распространенной конструкцией гусеничного движителя является двухгусеничная схема. По ней построено большинство современных и классических машин, как отечественных, так и зарубежных. На рис. 1 представлены примеры МРК с таким движителем. Другой вариант, характерный для гусеничных МРК с массой до 250 кг, - гусеничный движитель изменяемой геометрии. При этом встречаются как двухгусеничные (рис. 2), так и четырех- (рис. 3а) и шестигусеничные (рис. 3б) варианты. Четырех- и шестигусеничные варианты наиболее интересны, поскольку дают широкие возможности по преодолению препятствий, в том числе путем изменения клиренса. а б в г Рис. 1. Конструкции двухгусеничных МРК: а - самоходная мина «Голиаф» (Германия, 1942 - 1944 гг.); б - МРК «Уран-9» (Россия); в - Gladiator TUDV (США); г - МРК SWORDS (США) а б Рис. 2. Конструкции двухгусеничных МРК с изменяемой геометрией: а - МРК-ВТ-1 (Россия); б - МРК-28 (Россия) а б Рис. 3. МРК с изменяемой геометрией движителя: а - iRobot Warrior (США); б - iRobot Flir Packbot (США) В связи с этим, а также в соответствии с вышеизложенными требованиями целесообразно выбрать шестигусеничную схему, для которой есть возможность сложить дополнительные гусеничные модули - флипперы так, чтобы они не выходили за габарит основной гусеницы. Исследование движения МРК с различными конфигурациями движителя Для исследования процессов взаимодействия движителя МРК с опорным основанием при преодолении единичных неровностей и лестничных маршей, а также при движении по эскалатору была создана параметризованная динамическая модель в среде «Универсальный Механизм» версии 8.0 (академическая лицензия). Исходными данными для динамической модели послужили приблизительные массогабаритные характеристики МРК (табл. 1). Таблица 1 Массогабаритные характеристики МРК Наименование параметра Значение Масса корпуса МРК, кг 40 Размеры корпуса МРК, Длина / Ширина / Высота, м 0,5 (0,7) / 0,4 / 0,2 Длина основной опорной поверхности, м 0,5 Длина опорной поверхности флиппера, м 0,2 … 0,3 Радиус ведущей звездочки, м 0,091 Радиус основного ленивца, м 0,091 Число опорных катков 6…7 (3 для флипперов) Радиус опорного катка, м 0,02 Радиус ленивца флиппера, м 0,03 Ширина основной гусеницы, м 0,07 Ширина гусеницы флиппера, м 0,05 На рис. 4 представлена визуализация динамической модели МРК. Рис. 4. Визуализация динамической модели МРК В целях увеличения скорости счета для случая преодоления единичной неровности использовалась динамическая модель МРК, включающая в себя только два передних флиппера. При моделировании движения по лестнице рассматривались все флипперы. Длины флипперов варьировались с шагом 0,05 м и составляли, таким образом, 0,20 м (МРК 1), 0,25 м (МРК 2) и 0,30 м (МРК 3). Для этих вариантов производились следующие численные эксперименты: · преодоление единичной неровности, передние флипперы повернуты на заданный угол, скорость движения - 1 м/с (Эксперимент 1); · подъем по лестнице (лестничный пролет со ступенями 330×145 мм, пять ступеней), передние флипперы повернуты на заданный угол, скорость движения - 0,5 м/с (Эксперимент 2). В процессе моделирования регистрировались время прохождения препятствия t (при углах поворота флипперов α в диапазоне от 20 до 35 град) и вертикальные ускорения центра масс корпуса (предполагается, что он расположен в середине опорной поверхности) . Время преодоления препятствия регистрировалось посредством анализа записи координаты вертикального перемещения центра масс динамической модели МРК. На рис. 5 - 7 представлены совмещенные результаты преодоления МРК единичной неровности (вертикальные координаты центра масс), а в табл. 2 - числовые значения ускорений и времени преодоления. Таблица 2 Результаты преодоления единичной неровности α, град МРК 1 МРК 2 МРК 3 t, с , м/с2 t, с , м/с2 t, с , м/с2 20 1,28 96 0,80 135 0,96 200 25 0,80 140 0,92 80 0,96 120 30 0,96 150 0,96 190 0,96 120 35 0,84 105 0,90 140 95 Рис. 5. Записи вертикальной координаты центра масс МРК 1: 1 - α = 20°; 2 - α = 30°; 3 - α = 35°; 4 - α = 25° Рис. 6. Записи вертикальной координаты центра масс МРК 2: 1 - α = 20°; 2 - α = 25°; 3 - α = 30°; 4 - α = 35° Рис. 7. Записи вертикальной координаты центра масс МРК 3: 1 - α = 20°; 2 - α = 25°; 3 - α = 30°; 4 - α = 35° В табл. 3 представлены результаты преодоления лестничного пролета. Таблица 3 Результаты преодоления лестничного пролета α, град МРК 1 МРК 2 МРК 3 t, с , м/с2 t, с , м/с2 t, с , м/с2 30 5,4 50 / 105 6,0 45 / 76 5,0 50 / 140 35 5,2 35 / 55 6,0 45 / 135 5,2 60 / 200 Примечание: в числителе общий уровень ускорений, в знаменателе - пиковое значение. Их анализ позволяет сделать следующие выводы: 1) При длине опорной поверхности с передним флиппером более 0,63 м задние флипперы не играют существенной роли при преодолении лестничного марша. 2) Время преодоления лестничного пролета напрямую зависит от качества контакта переднего флиппера с первой ступенью лестницы. 3) С целью минимизации вертикальных ускорений угол наклона флипперов при подъезде к первой ступени желательно выбирать такой, чтобы контакт с ребром происходил близко к нижней части ленивца. 4) Преодоление единичной неровности высотой 0,1 м осуществляется МРК всех конфигураций приблизительно с одинаковой скоростью. 5) При контакте ленивца со «стенкой» неровности время преодоления увеличивается, так как возникает значительное буксование при попытке взобраться на препятствие. 6) Скорость перемотки флипперов ниже, чем у основной гусеницы, так как они приводятся в движение за счет гусеницы, вращающей ленивец основного движителя. 7) Из-за отсутствия системы подрессоривания значения вертикальных ускорений при преодолении единичной неровности достигают весьма высоких значений - до 15g при неблагоприятно повернутых флипперах. 8) Наименьшие ускорения при приемлемой скорости показывает конфигурация МРК 2 - преодоление ступени при α = 25° сопровождается вертикальными ускорениями 8g, преодоление лестницы с α = 30° - не более 7,6g, а общим уровнем в пределах 4,5g. Таким образом, наиболее рациональной является конфигурация движителя у МРК 2. Выводы По результатам проведенного исследования получены основные требования к движителю МРК с изменяемой геометрией, представлено обоснование выбора его конструктивных параметров. Путем проведенного динамического моделирования показано, что наиболее рациональными размерами движителя являются следующие: длина основной опорной поверхности - 0,5 м, длина опорной поверхности одного флиппера - 0,25 м. Наиболее рациональный угол наклона флиппера для преодоления порогового препятствия - 25°, для преодоления лестничного марша - 30°. В этом случае вертикальные ускорения, действующие на корпус, минимальны, а время преодоления препятствия остается практически неизменным.

About the authors

A. A Tsipilev

Bauman Moscow State Technical University

Email: alexts@bmstu.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

I. A Smirnov

Moscow Higher Combined Arms Command School (MVOKU)

PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files