Вход-выходные силомоментные отображения у шасси робокаров с тремя колесами Илона

Современный этап развития робототехники фокусируется все в большей мере на исследованиях, разработке, производстве и эксплуатации мобильных роботов. Разнообразие в их функциональном назначении, среде эксплуатации (наземные, подземные, подводные, воздушные, космические), в требованиях к технико-экономическим и эксплуатационным свойствам порождает разнообразие таких роботов. Используемые в мобильных роботах типы кинематических схем, движителей и их приводов также существенно расширяют их нынешний и будущий парк. Многообразие наиболее распространенных в настоящее время мобильных роботов с колесными шасси (робокаров) определяется числом и типом используемых в них колес и их относительным положением на шасси. Поэтому разработка колесных роботов предполагает выбор варианта исполнения их шасси на основе сопоставительного анализа различных потенциально применимых схемотехнических решений.

 Данная статья содержит математические описания вход-выходных силомоментных отображений (взаимосвязей) вращающих моментов на валах колес робокаров с силами и вращающими моментами, обеспечивающими движения их шасси по горизонтальной плоскости, которые могут использоваться для сопоставительного анализа и выбора схемотехнических решений для шасси робокаров. Такие описания приводятся и анализируются для четырех вариантов кинематических схем шасси робокаров с тремя колесами Илона (меканум колесами, шведскими колесами). Они определяются для всех возможных вариантов направлений прикладываемых к колесам таких робокаров вращающих моментов, а также для тех случаев, когда к одному из этих колес вращающий момент не прикладывается. Тем самым описываются и анализируются различные ситуации — режимы функционирования подобных робокаров с использованием всех трех или любых двух колес для обеспечения прикладываемых к шасси робокаров сил и моментов, необходимых для их перемещений.

Статья содержит оценки структур вход-выходных силомоментных отображений для выбранных четырех вариантов кинематических схем шасси робокаров с тремя колесами Илона, а также влияния их внутренних вход-выходных перекрестных связей на реализацию алгоритмов управления подобными робокарами, взаимосвязь по их управляемым переменным, маневренность, управляемость и достижимость. Описан вариант алгоритма решения обратных силомоментных задач для шасси в указанном выше исполнении. Указана предпочтительность использования подобных робокаров при реализации типовых задач управления — финитного, программного, следящего и терминального управления.

1. Справочник по промышленной робототехнике: В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред. Ш. Нофа. М.: Машиностроение, 1989.

2. Моритц Л. Тенденции развития мобильных роботов // Control Engineering Россия. 2020. № 4(88). С. 56—58. URL: https://controleng.ru/wp-content/uploads/56-1.pdf (дата обращения: 16.03.2022).

3. Автоматически управляемые транспортные средства // Склад & техника. 2006. № 3. 24.08.2020. URL: https://sitmag.ru/article/10543-kamo-gryadeshi-ats (дата обращения: 16.03.2022).

4. Давыдов В. В. 20 идей по развитию России. Часть 16. Беспилотный транспорт. URL: https://20idei.ru/ru/ideas/16 (дата обращения 16.02.2022).

5. Космические роботы / Site’Kid.ru. Онлайн энциклопедия. URL: https://sitekid.ru/izobreteniya_i_tehnika/roboty/kosmicheskie_roboty.html (дата обращения: 16.03.2022).

6. Бойко А. Каталог автономных сельскохозяйственных роботов для работы в поле, в саду или теплицею // Robotrens. URL: http://robotrends.ru/robopedia/katalog-avtonomnyh-robotovdlya-raboty-v-selskom-hozyaystve (дата обращения: 16.03.2022).

7. Повный А. Бытовые роботы — обзор роботов различного назначения. // Онлайн журнал "Электрик Инфо", 25 октября 2016. URL: http://electrik.info/obzor/1182-bytovyeroboty-оbzor-robotov-razlichnogo-naznacheniya.html (дата обращения: 16.03.2022).

8. Автоматические транспортные средства снабжения для солдат на поле боя. URL: http://www.army-guide.com/rus/article/article_1573.html (дата обращения: 16.03.2022).

9. Бойко А. Каталог пожарных роботов. RoboTrens. URL: https://robotrends.ru/robopedia/katalog-pozharnyh-robotov (дата обращения: 16.03.2022).

10. Рыжков Е. Марсоходы прошлого, настоящего и будущего. URL: https:// novosti-kosmonavtiki.ru/articles/75355.html (дата обращения: 16.03.2022).

11. Social Robotics. Proc. of 13th International Conference, ICSR 2021. Singapur, 10—13 Nov. 2021. Springer International Publishing. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-90525-5 (дата обращения: 16.03.2022).

12. Electric wheel chair / EVER Monaco 2006 fair for mobility with renewable energy. Fair report part 1: general and special vehicles. URL: https://car.pege.org/2006-ever-monaco/wheel-chair.htm.

13. Campion G., Bastin G., D’Andrea-Novel B. Structural properties and classification of kinematic and dynamic models of wheeled mobile robots // IEEE Transactions on robotics and automation. 1996. Vol. 12, N. 1. P. 47—62.

14. Grabowiecki J. Vehicle Wheel. USPatent 1103535. Patended June, 1919.

15. Blumrih J. F. USPatent 3789947. Int. cl. B60b 19/12. Omnidirectional wheel. Issued 1974-02-05.

16. McKinnon P. R. USPatent № 8556289. Oct. 15, 2013. URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/3e/64/f9/8b93a5202becad/US8556279.pdf.

17. Малышенко А. М. Маневренность управляемых динамических систем и ее квалиметрия // Мехатроника, автоматизация и управление. 2005. № 5. С. 2—6. URL: http://novtex.ru/mech/mech2005/annot05.htm (дата обращения: 16.03.2022).

18. Bradbury H. M. Omni-Direktional Transport Device. USPatent No. 4 223753, 1980. URL: https://patents.google.com/patent/US4223753A/en.

19. Ilon B. E. Wheels for a course stable selfpropelling vehicle movable in any desired direction of the ground or some other base. USPatent 3876255, B60b 19/00. Issued 1975-04-08.

20. Diegel O., Badve A., Potgieter J., Tlale S. Improved Mecanum Wheel Design for Omni-directional Robots // Proc. 2002 Australasian Conference on Robotics and Automation. Anckland, 27—29 November 2002. P. 117—121. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid=35B5E34901A0B49C9A5B7F75CBFAECD7?doi=10.1.1.227.5044&rep=rep1&type=pdf.

21. Антонов А. Типы колес мобильных роботов // Роботоша. Ноябрь 27, 2014. URL: http://robotosha.ru/robotics/wheel-types-mobile-robots.html (дата обраще-ния: 16.03.2022).

22. Шиманчук Д. В. Теоретическая механика. Кинематика системы тел (манипулятора). СПб.: Изд. Санкт-Петербур. гос. унив., 2020. 167 с. URL: http://www.apmath.spbu.ru/ru/staff/shimanchuk/files/g._kinematics_rbsystem.pdf (дата обращения: 16.03.2022).

23. Handbook of robotics. Siciliano B., Khatib O. (Editors). Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. 1611 p.

24. Siciliano B., Sciavicco L., Villani L., Oriolo G. Robotics: Modelling, Planning and Control. Springer, 2009. 632 p.

25. John J. Uicker Jr., Pennock G. R., Shigley J. E. Theory of Machines and Mechanisms (McGraw-Hill series in mechanical engineering). Oxford University Press, USA. 2016. 976 p.

26. Стрейц В. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления. М.: Наука, 1986.