novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.195-200novtexmech-1538Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSО формировании и точности реализации программных режимов движения мобильных роботов с шагающими движителямиOn the Formation and Accuracy of the Implementation of the Program Modes of Movement of Mobile Robots with Walking Propulsion DevicesБрискинЕ. С.BriskinE. S.

д-р физ.-мат. наук, проф.

400005; Волгоград

400005; Volgograd

dtm@vstu.ruСмирнаяЛ. Д.SmirnayaL. D.

мл. науч. сотр.

400005; Волгоград

400005; Volgograd

dtm@vstu.ruВолгоградский государственный технический университетРоссияVolgograd State Technical UniversityRussian Federation202410042024254195200Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1538

   Рассматриваются различные кинематические схемы шагающих движителей мобильных роботов. Среди них – цикловые с различным числом звеньев, зооморфные, инсектоморфные, ортогональные и другие. Движители могут отличаться друг от друга числом приводов. Приведены примеры шагающих машин и лабораторных образцов с такими движителями. Обосновываются важность и значимость задач обеспечения точности позиционирования стопы движителя как рабочего органа механизма шагания, обусловленных необходимостью ее постановки на опорную поверхность в заданной точке при переносе движителя. Это также необходимо для преодоления препятствий, идентифицируемых информационно-измерительной системой и имеющих определенные габаритные размеры и расположенные в определенных местах на опорной поверхности. Такое движение должно сопровождаться минимальностью высоты подъема стопы, что обеспечивает минимум энергозатрат. Дополнительно обосновывается необходимость обеспечения требуемой скорости стопы механизма шагания движителя в фазе ее взаимодействия с опорной поверхностью, что объясняется поддержанием одинаковых скоростей опорных стоп в относительном курсовом движении в фазе реализации тягового усилия. Даже при незначительном различии в скоростях опорных стоп тяговое усилие развивает только движитель, стопа которого двигается с максимальной скоростью. Остальные движители работают в тормозном режиме. Компенсация возможна только за счет жесткости статической характеристики двигателя и вязко-упруго-пластичных свойств грунта. В этом случае на двигатели приводов накладывается повышенная нагрузка и поэтому снижается энергоэффективность. Задача оценки точности позиционирования решается известными методами с помощью введения передаточных функций механизма шагания. Передаточные функции связывают между собой перемещение выходного элемента двигателя соответствующего привода и рабочего органа механизма шагания — стопы. Для решения задачи оценки точности механизма шагания по скорости стопы вводятся новые передаточные функции, являющиеся компонентами новой матрицы. Их характерной особенностью является зависимость от скоростей выходных элементов исполнительных двигателей. Получено уравнение движения, обеспечивающее оптимальность по точности позиционирования и скорости.

   Various kinematic schemes of walking propulsion devices of mobile robots are considered. Among them there are cyclical mechanisms with a different number of links, zoomorphic, insectomorphic, orthogonal and others. Propulsion devices may differ from each other in the number of drives. Examples of walking machines and laboratory samples with such propulsion devices are given. The importance and significance of the tasks of ensuring the accuracy of positioning the foot of the propulsion device as the working body of the walking mechanism, due to the need to place it on the supporting surface at a given point when moving the propulsion device, are substantiated. It is also necessary to overcome obstacles identified by the information-measuring system and having certain dimensions and located in certain places on the support surface. Such a movement should be accompanied by a minimum of the height of the foot lift, which ensures a minimum of energy consumption. Additionally, the necessity of ensuring the required speed of the foot of the propulsion devices walking mechanism in the phase of its interaction with the support surface is justified, which is explained by maintaining the same speeds of the support feet in the relative heading movement in the phase of the implementation of the traction force. Even with a slight difference in the speeds of the support stops, the traction force is developed only by the propulsion device, whose foot moves at maximum speed. The remaining propulsion devices operate in braking mode. Compensation is possible only due to the rigidity of the static characteristics of the engine and the viscous-elastic-plastic properties of the soil. In this case, an increased load is imposed on the drive motors and therefore energy efficiency is reduced. The problem of assessing the accuracy of positioning is solved by known methods by introducing the transfer functions of the stepping mechanism. The transfer functions link the movement of the output element of the motor of the corresponding drive and the working body of the walking mechanism — the foot. To solve the problem of estimating the accuracy of the walking mechanism by the speed of the foot, new transfer functions are introduced, which are components of the new matrix. Their characteristic feature is the dependence on the speeds of the output elements of the executive motors. The equation of motion providing optimality in positioning accuracy and speed is obtained.

мобильный роботмеханизмдвижительматрица передаточных функцийскалярный критерийтяговая силатягово-сцепные свойстваmobile robotmechanismpropulsion devicematrix of transfer functionsscalar criteriontraction forcetraction propertiesИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-21-00882, https://rscf.ru/project/22-21-00882/The study was supported by the Russian Science Foundation grant no. 22-21-00882, https://rscf.ru/en/project/22-21-00882/ReferencesЛапшин В. В. Модельные оценки энергозатрат шагающего аппарата // Известия Академии наук СССР. Механика твердого тела. 1993. № 1. С. 38—43.Lapshin V. V. Model estimates of energy consumption of a walking apparatus, Izvestiya Akademii nauk SSSR. Mekhanika tverdogo tela, 1993, no. 1, pp. 38—43 (in Russian).Ларин В. Б. Управление шагающим аппаратом. Киев: Наукова думка, 1980. 168 с.Larin V. B. Control of the walking apparatus, Kiev, Naukova dumka, 1980, 168 p. (in Russian).Bessonov A. P., Umnov N. V., Korenovsky V. V., Silvestrov E. E., Khoborkov S. V. Six Link Mechanisms for the Legs of Walking Machines // ROMANSY 13. Morecki A., Bianchi G., Rzymkowski C. (eds). International Centre for Mechanical Sciences. Springer, Vienna. 2000. Vol. 422. P. 347—354.Bessonov A. P., Umnov N. V., Korenovsky V. V., Silvestrov E. E., Khoborkov S. V. Six Link Mechanisms for the Legs of Walking Machines, ROMANSY 13. International Centre for Mechanical Sciences, Morecki A., Bianch, G., Rzymkowski C. (eds), Springer, Vienna, 2000, vol. 422, pp. 347—354.Briskin E. S., Chernyshev V. V., Maloletov A. V., Sherstobitov S. V. On Dynamics of Movement of Walking Machines with Gears on the Basis of Cycle Mechanisms // ROMANSY 13. Morecki A., Bianchi G., Rzymkowski C. (eds). International Centre for Mechanical Sciences. Vienna: Springer, 2000. Vol. 422. P. 313—322.Briskin E. S., Chernyshev V. V., Maloletov A. V., Sherstobitov S. V. On Dynamics of Movement of Walking Machines with Gears on the Basis of Cycle Mechanisms, ROMANSY 13. International Centre for Mechanical Sciences, Morecki A., Bianch, G., Rzymkowski C. (eds), Springer, Vienna, 2000, vol. 422, pp. 313—322.Брискин Е. С., Жога В. В., Чернышев В. В., Малолетов А. В. Динамика и управление движением шагающих машин с цикловыми движителями. М.: Машиностроение, 2009. 191 с.Briskin E. S., Zhoga V. V., Chernyshev V. V., Maloletov A. V. Dynamics and motion control of walking machines with cyclic movers, Moscow, Mashinostroenie, 2009, 191 p. (in Russian).Lucidarme P., Delanoue N., Mercier F., Aoustin Y., Chevallereau C., Wenger P. Preliminary Survey of Backdrivable Linear Actuators for Humanoid Robots // ROMANSY 22 — Robot Design, Dynamics and Control. Arakelian V., Wenger P. (eds) CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures), Cham: Springer, 2019. Vol. 584. P. 304—313.Lucidarme P., Delanoue N., Mercier F., Aoustin Y., Chevallereau C., Wenger P. Preliminary Survey of Backdrivable Linear Actuators for Humanoid Robots, ROMANSY 22 — Robot Design, Dynamics and Control. CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures), Arakelian V., Wenger P. (eds), Springer, Cham, 2019, vol. 584, pp. 304—313.Briskin E., Kalinin Y., Maloletov A. On Energetically Effective Modes of Walking Robots Movement // ROMANSY 22 — Robot Design, Dynamics and Control. Arakelian, V., Wenger, P. (eds). CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures). Cham: Springer, 2019. Vol. 584. P. 425—432.Briskin E., Kalinin Y., Maloletov A. On Energetically Effective Modes of Walking Robots Movement, ROMANSY 22 — Robot Design, Dynamics and Control. CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures), Arakelian V., Wenger P. (eds), Springer, Cham, 2019, vol. 584, pp. 425—432.Russo M., Ceccarelli M., Cafolla D., Matsuura D., Takeda Y. An Experimental Characterization of a Parallel Mechanism for Robotic Legs // ROMANSY 22 — Robot Design, Dynamics and Control. Arakelian, V., Wenger, P. (eds). CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures). Cham: Springer, 2019. Vol. 584. P. 18—25.Russo M., Ceccarelli M., Cafolla D., Matsuura D., Takeda Y. An Experimental Characterization of a Parallel Mechanism for Robotic Legs, ROMANSY 22 — Robot Design, Dynamics and Control. CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures), Arakelian V., Wenger P. (eds), Springer, Cham, 2019, vol. 584, pp. 18—25.Вульфсон И. И. Динамические расчеты цикловых механизмов. Ленинград: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1976. 328 с.Vulfson I. I. Dynamic calculations of cyclic mechanisms, Leningrad, Mashinostroenie, 1976, 328 p. (in Russian).Крейнин Г. В., Бессонов А. П., Воскресенский В. В. Кинематика, динамика и точность механизмов: Справочник / Под ред. Г. В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1984. 214 с.Kreinin G. V., Bessonov A. P., Voskresensky V. V. Kinematics, dynamics and accuracy of mechanisms: Handbook, Edited by G. V. Kreinin, Moscow, Mashinostroenie, 1984, 214 p. (in Russian).Брискин Е. С., Калинин Я. В., Артемьев К. С. Об устойчивости плоского движения мобильных роботов с шагающими движителями, работающими в "тянущем" режиме // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 1. С. 28—34.Briskin E. S., Kalinin Ya. V., Artemyev K. S. On the Stability оf the Plane Movement оf Mobile Robots with Walking Propulsion Devices Working in "Pulling" Mode, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2021, vol. 22, no. 1, pp. 28—34 (in Russian).Briskin E. S., Kalinin Y. V., Maloletov A. V., Shurygin V. A. Assessment of the performance of walking robots by multicriteria optimization of their parameters and algorithms of motion // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2017. Vol. 56, No. 2. P. 334—342.Briskin E. S., Kalinin Y. V., Maloletov A. V., Shurygin V. A. Assessment of the performance of walking robots by multicriteria optimization of their parameters and algorithms of motion // Journal of Computer and Systems Sciences International, 2017, vol. 56, no. 2, pp. 334—342.Белецкий В. В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 288 с.Beletsky V. V. Bipedal walking: model problems of dynamics and control. Moscow, Nauka, 1984, 288 p. (in Russian).Брискин Е. С., Калинин Я. В. Об энергетически эффективных алгоритмах движения шагающих машин с цикловыми // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2011. № 2. С. 170—176.Briskin E. S., Kalinin Y. V. On energetically efficient motion algorithms of walking machines with cyclic drives, Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Teoriya i sistemy upravleniya, 2011, no. 2, pp. 170—176 (in Russian).Эльсгольц Л. Э. Дифференциальные уравнения и вариационные исчисления. М.: Наука, 1969. 423 с.Elsholts L. E. Differential equations and calculus of variations, Moscow, Nauka, 1969. 423 p. (in Russian)Бутенин Н. В. Введение в аналитическую механику. М.: Наука, 1971. 264 с.Butenin N. V. Introduction to analytical mechanics, Moscow, Nauka, 1971, 264 p. (in Russian).

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