novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.209-215novtexmech-1173Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSРасчет и оптимизация работы механизма реконфигурации колесно-гусеничного мобильного роботаCalculation and Optimization of the Wheel-Track Mobile Robot Reconfi guration MechanismУЦюеWuQue

 аспирант

Wu Que, Postgraduate Student

Moscow, 107023

2177223630@qq.comРачковМ. Ю.RachkovM. Yu.

д-р техн. наук, проф.

Moscow, 107023

michyur@gmail.comМосковский политехнический университетРоссияMoscow PolytechRussian Federation202208042022234209215Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1173

Рассмотрена актуальная задача создания транспортного автономного робота для работы в неструктурированной среде и в условиях чрезвычайных ситуаций. Конструкция робота содержит комбинированную систему движителей, состоящую из трансформируемых гусеничных и колесных групп, которая позволяет перемещаться по различным видам поверхностей, включая условия урбанистического окружения, где необходимо преодолевать препятствия сложной конфигурации, включая лестничные марши. Движение по ровной поверхности осуществляется только колесными группами с втянутыми выдвижными элементами при поднятых гусеничных группах, что обеспечивает повышенную скорость движения устройства. Движение по неровной поверхности осуществляется только гусеничными группами, при этом колесные движители подняты, что обеспечивает повышенную проходимость по сравнению с ровной поверхностью. Лестничные марши и препятствия сложной геометрической формы могут преодолеваться при одновременном использовании колесных и гусеничных групп, при этом угол положения колесных групп относительно гусеничных групп при реконфигурации робота определяется размерами и формой ступеней лестничного марша и препятствий. Блок реконфигурации робота выполнен в виде рычажного устройства с электрическими цилиндрами, имеющего возможность самоблокировки. Он реализует переключение колесного и гусеничного режимов движения робота, а также подъем колесной группы на требуемый угол при преодолении препятствий. Проведен анализ конструкции и расчет рычажного механизма колесно-гусеничной мобильной платформы. Разработана кинематическая модель блока реконфигурации. Получены соотношения между углами и длинами рычагов, а также взаимосвязь между угловой скоростью перемещения рычагов и скоростью движения толкателя электрического цилиндра рычажного механизма. Оптимизация работы блока реконфигурации проведена путем создания его математической модели для программирования в пакете MATLAB. Определена целевая функция и ограничения на работу системы. В результате моделирования получены улучшенные механические характеристики блока реконфигурации, дающие возможность более точного управления при снижении требуемых усилий исполнительного механизма.

The actual problem of an autonomous transport robot design for work in an unstructured environment and in emergency situations is considered. The design of the robot contains a combined system, consisting of transformable track and wheel groups, which allows moving over different types of surfaces, including the conditions of the urban environment, in particular flights of stairs. Movement on a flat surface is carried out only by wheel groups with raised track groups, which provides an increased speed of the robot. Movement on uneven surface is carried out only by track groups, while the wheel groups are raised. It provides increased cross-country ability. Staircase and complex obstacles can be overcome with the simultaneous use of wheel and track groups at angle of the wheel groups relative to the track groups during reconfiguration of geometric shapes and steps of the staircase and obstacles. The robot reconfiguration unit is made in the form of a lever mechanism with electric cylinders, which can be self-locking. It implements the switching of the robot movement modes, as well as lifting the wheel group to the required angle for overcoming obstacles. The analysis of the design and calculation of the lever mechanism of the wheel-track robot is carried out. A kinematic model of the reconfiguration unit has been developed. Relationships between the angles and length of the levers, as well as between the angular velocity of movement of the levers and the speed of movement of the electric cylinder pusher of the lever mechanism are obtained. Optimization of the reconfiguration block operation by creating its mathematical model for programming in the Matlab package is done. The target function and restrictions on the system operation have been determined. As a result, improved mechanical characteristics of the reconstruction unit are obtained.

транспортный роботколесно-гусеничная конструкцияблок реконфигурациирычажный механизмкинематическая модельоптимизацияtransport robotwheel-track structurereconfiguration blocklever mechanismkinematic modeloptimizationReferencesMagnenat S., Philippsen R., Mondada F. Autonomous construction using scarce resources in unknown environments // Autonomous robots. Springer Science. Vol. 33. 2012. P. 467—485. 2Magnenat S., Philippsen R., Mondada F. Autonomous construction using scarce resources in unknown environments, Autonomous robots, Springer Science, 2012, vol. 33, рр. 467—485.Rachkov M., Marques L., de Almeida A. T. Multisensor demining robot // Autonomous robots. Springer Science. 2005. Vol. 18, N.3. P. 275—291.Rachkov M., Marques L., de Almeida A. T. Multisensor demining robot, Autonomous robots, Springer Science, 2005, vol. 18, no. 3, pp. 275—291.Rachkov M. Modelling of Demining Manipulator Optimal Functioning // Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019. Vol. 20, N.5. P. 280—290.Rachkov M. Modelling of Demining Manipulator Optimal Functioning, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2019, 20(5), pp. 280—290Rachkov M., Petukhov S. Navigation of the autonomous vehicle reverse movement //Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 315.Rachkov M., Petukhov S. Navigation of the autonomous vehicle reverse movement, Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 315.Batanov A., Gritsynin S., Murkin S. Robotic systems for emergency applications // Spetsialnaya Technika. 2000. № 1. P. 3—15 (in Russian).Batanov A., Gritsynin S., Murkin S. Robotic systems for emergency applications, Spetsialnaya Technika, 2000, no. 1, pp. 3—15 (in Russian).Hastie J., Jacobs B., Martell C. et al. Development of a new for the Foster-Miller Talon Robot. MIMEU701-702. Technical Design Report. 2005.Hastie J., Jacobs B., Martell C. et al. Development of a new for the Foster-Miller Talon Robot, MIMEU701-702. Technical Design Report, 2005.Lee C., Kim S., Kang S. et al. Double-track mobile robot for hazardous environment applications // Advanced Robotics. 2003. Vol. 17, N. 5. P. 447—459.Lee C., Kim S., Kang S. et al. Double-track mobile robot for hazardous environment applications, Advanced Robotics, 2003;17 (5), pp. 447—459.Morris A., Ferguson D., Omohundro Z. et al. Recent developments in subterranean robotics // Journal of Field Robotics. 2010. Vol. 23, N. 1. P. 35—57.Morris A., Ferguson D., Omohundro Z. et al. Recent developments in subterranean robotics, Journal of Field Robotics, 2010, 23(1), pp. 35—57.Rachkov M., Emelyanov A., Kolot V. Reconfigurable Autonomous Wheel-Tracked Robot // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia. 2019. P. 1—5.Rachkov M., Emelyanov A., Kolot V. Reconfigurable Autonomous Wheel-Tracked Robot, International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, 2019, pp. 1—5.Wang W. Study on tracked mobile robot with manipulator in complex terrain. Harbin Institule of Technology, 2009 (in Chinese).Wang W. Study on tracked mobile robot with manipulator in complex terrain, Harbin Institule of Technology, 2009 (in Chinese).Yunwang L., Shirong G., Hua Z. Obstacle-surmounting mechanism and capability of four-track robot with two swing arms // Robot. 2010. Vol. 32, N. 2. P. 157—165 (in Chinese).Yunwang L., Shirong G., Hua Z. Obstacle-surmounting mechanism and capability of four-track robot with two swing arms, Robot, 2010, 32(2), pp. 157—165 (in Chinese).Zhiqing L., Shugen M., Bin L. Development of a transformable wheel-track robot with self-adaptive ability // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2011. Vol. 47, N. 5. P. 1—10 (in Chinese).Zhiqing L., Shugen M., Bin L. Development of a transformable wheel-track robot with self-adaptive ability, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(5), pp. 1—10 (in Chinese).Zonghao L., Caihong S., Shaohua K. Design and analysis of the pose-varied wheel-tracked robot travel mechanism // Machinery Design & Manufacture. 2014. N. 4. P. 175—177 (in Chinese).Zonghao L., Caihong S., Shaohua K. Design and analysis of the pose-varied wheel-tracked robot travel mechanism, Machinery Design & Manufacture, 2014 (4), pp. 175—177 (in Chinese).Tulenko J. Development of a radiation resistant Andros robot for operation in severe environments // Proc. ANS 6th Topical Meeting on Robotics and Remote Systems. 1995. 2(5-10). P. 165—168.Tulenko J. Development of a radiation resistant Andros robot for operation in severe environments, Proc. ANS 6th Topical Meeting on Robotics and Remote Systems, 1995, 2(5-10), pp. 165—168.Wang J., Wang T., Yao C. A novel control law for constrained manipulation with its usage in the explosives ordnance disposal robot // Chinese Science Bulletin. 2013. Vol. 58 (Suppl.II). P. 91—96 (in Chinese).Wang J., Wang T., Yao C. A novel control law for constrained manipulation with its usage in the explosives ordnance disposal robot, Chinese Science Bulletin, 2013, 58 (Suppl.II), pp. 91—96 (in Chinese).Stojic S. Rubber tracksystem. Patent US 20160368551. 2016.Stojic S. Rubber tracksystem, patent US 20160368551, 2016.Mo H., Shang J., Luo Z. Trench-crossing capability analysis of a reconfigurable tracked mobile robot // International Conference on Intelligent Robotics and Applications. SpringerVerlag Press, 2010. P. 509—518.Mo H., Shang J., Luo Z. Trench-crossing capability analysis of a reconfigurable tracked mobile robot, International Conference on Intelligent Robotics and Applications, Springer-Verlag Press, 2010, pp. 509—518.Wenwei Z., Kejian W. Mechanical Principles. Beijing: Higher Education Press,1997. P. 54—57 (in Chinese).Wenwei Z., Kejian W. Mechanical Principles, Beijing, Higher Education Press,1997, pp. 54—57 (in Chinese).Jianjun D. The development of kinematic error analysis system of planar linkage mechanism. Shenyang: Northeastern University, 2012.Jianjun D. The development of kinematic error analysis system of planar linkage mechanism, Shenyang, Northeastern University, 2012.Kim Y., Kwak J., Kim J. et al. Adaptive driving mode control of mobile platform with wheel-track hybrid type for rough terrain in the civil environment // International Conference on Control, Automation and Systems, IEEE. Kintex, 2010. P. 86—90.Kim Y., Kwak J., Kim J. et al. Adaptive driving mode control of mobile platform with wheel-track hybrid type for rough terrain in the civil environment, International Conference on Control, Automation and Systems, IEEE, Kintex, 2010, pp. 86—90.Kim J., Lee C. Variable transformation shapes of singletracked mechanism for a rescue robot // Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Control, Automation and Systems. Seoul, 2007. P. 1057—1061.Kim J., Lee C. Variable transformation shapes of singletracked mechanism for a rescue robot, Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Control, Automation and Systems, Seoul, 2007, pp. 1057—1061.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.