Расчет и оптимизация работы механизма реконфигурации колесно-гусеничного мобильного робота

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.

1. Magnenat S., Philippsen R., Mondada F. Autonomous construction using scarce resources in unknown environments // Autonomous robots. Springer Science. Vol. 33. 2012. P. 467—485. 2

2. Rachkov M., Marques L., de Almeida A. T. Multisensor demining robot // Autonomous robots. Springer Science. 2005. Vol. 18, N.3. P. 275—291.

3. Rachkov M. Modelling of Demining Manipulator Optimal Functioning // Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019. Vol. 20, N.5. P. 280—290.

4. Rachkov M., Petukhov S. Navigation of the autonomous vehicle reverse movement //Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 315.

5. Batanov A., Gritsynin S., Murkin S. Robotic systems for emergency applications // Spetsialnaya Technika. 2000. № 1. P. 3—15 (in Russian).

6. Hastie J., Jacobs B., Martell C. et al. Development of a new for the Foster-Miller Talon Robot. MIMEU701-702. Technical Design Report. 2005.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Wang W. Study on tracked mobile robot with manipulator in complex terrain. Harbin Institule of Technology, 2009 (in Chinese).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. 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.

15. 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).

16. Stojic S. Rubber tracksystem. Patent US 20160368551. 2016.

17. 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.

18. Wenwei Z., Kejian W. Mechanical Principles. Beijing: Higher Education Press,1997. P. 54—57 (in Chinese).

19. Jianjun D. The development of kinematic error analysis system of planar linkage mechanism. Shenyang: Northeastern University, 2012.

20. 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.

21. 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.