О формировании и точности реализации программных режимов движения мобильных роботов с шагающими движителями

   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.

1. Лапшин В. В. Модельные оценки энергозатрат шагающего аппарата // Известия Академии наук СССР. Механика твердого тела. 1993. № 1. С. 38—43.

2. Ларин В. Б. Управление шагающим аппаратом. Киев: Наукова думка, 1980. 168 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Вульфсон И. И. Динамические расчеты цикловых механизмов. Ленинград: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1976. 328 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Белецкий В. В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 288 с.

14. 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.

15. Эльсгольц Л. Э. Дифференциальные уравнения и вариационные исчисления. М.: Наука, 1969. 423 с.

16. Бутенин Н. В. Введение в аналитическую механику. М.: Наука, 1971. 264 с.