Кафедра 'Теоретическая механика'

Русская версия О кафедре Наука Содержание
English version Студентам Сотрудники

Результаты выполнения работ по федеральной целевой программе "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы"

Тема проекта: Динамика и управление движением многоногих статически устойчивых шагающих машин.

Государственный контракт от 27 августа 2003г. № Ц3034/1929

ПРЕДИСЛОВИЕ

С середины 80-х годов значительно выросло количество работ, посвященных обоснованию потребности разработки, методам исследования динамики и управления движением, а также методам расчета и проектирования транспортных и технологических машин с шагающими движителями. Колесный транспорт предназначен в основном для передвижения по ровной твердой дороге. Уступ высотой в радиус колеса непреодолим для большинства колесных машин. Мало эффективен колесный транспорт и при движении по слабым грунтам (песок, снег, болотистые почвы, размокшая глина и т.д.). Значительное заглубление колес в грунт, усугубляемое пробуксовыванием, приводит к увеличению энергозатрат и ухудшению тягово-сцепных свойств машины, ограничивает проходимость. Гусеничные машины превосходят колесные по тягово-сцепным свойствам, имеют значительные преимущества при движении по слабым грунтам. По профильной же проходимости они примерно соответствуют многоосным машинам. Непрерывная колея от колесных и гусеничых машин, глубина которой на грунтовой дороге бывает весьма значительной из-за пробуксовывания колес и гусениц ("экскаваторного эффекта") делает эти дороги непроходимыми особенно осенью и весной. В тундре колея даже от одной машины не зарастает годами. На склонах гор и холмов колея вызывает оползание грунта и является очагом образования оврагов.В тоже время животные и люди могут передвигаться с помощью ног по большей части поверхности, непроходимой для колесного и гусеничного транспорта. Необходимость создания наземных транспортных средств высокой проходимости заставила обратиться к созданию машин, перемещающихся с помощью конечностей. Предполагается, что такие положительные качества шагающего движителя, как высокая адаптация к неровностям опорной поверхности, принципиально более высокая маневренность, допускающая перемещение машины в произвольном направлении и повороты на месте, опорная проходимость по грунтам с низкой несущей способностью, возможность комфортабельного движения, позволят шагающим машинам (ШМ) занять свою нишу в системе машин, используемых в хозяйственной деятельности человека.

Шагающая машина должна использовать заложенные в принципе шагания возможности развязки движения корпуса машины от дороги. За счет изменения движения стоп относительно корпуса шагающая машина может обеспечить комфортабельное (равномерное и прямолинейное) движение корпуса машины при перемещении по поверхности с неровностями, достигающими величины дорожного просвета машины. Необходимость изменения траектории движения стопы относительно корпуса возникает и при движении по слабым грунтам для компенсации деформации грунта, величина которой различна для разных ног. Для обеспечения высокой проходимости шагающей машины при преодолении крупных препятствий необходимо использовать возможности изменения дорожного просвета, бокового выноса ног, длины шага, наклона корпуса машины относительно опорной поверхности. Маневренность связана с заложенными в шагающий движитель возможностями движения вперед, назад, вбок и вообще с произвольным углом между направлением движения и продольной осью машины. Шагающая машина может совершать повороты и развороты на месте. Работа ног при повороте принципиально не отличается от работы ног при движении по прямой. Существенным отличием от колесных и гусеничных машин является то, что при поворотах не происходит проскальзывание опорных элементов ног по опорной поверхности, связанное с большими энергозатратами на деформацию грунта. Следует ожидать более высокой грунтовой проходимости и меньшей деформации грунта у шагающих машин по сравнению с колесными и гусеничными в основном в связи с отсутствием пробуксовывания и меньшей площадью деформируемого грунта. Деформация грунта в дискретных зонах опоры ног шагающей машины не должна создавать таких очагов разрушения почвы, как непрерывная колея колесных и гусеничных машин. Эти свойства шагающих машин определили области их возможных изменений.

В настоящее время считается достаточно обоснованной перспективность использования шагающих машин для транспортировки грузов, например, для доставки крупнотоннажного негабаритного оборудования буровых платформ, газгольдеров, ректификационных колонн и другой техники в малоосвоенных районах в условиях бездорожья.

Разработка внедорожного транспортного средства, обладающего более высокой грунтовой проходимостью, определяется необходимостью перемещения объектов большого веса и габаритов по грунтам с низкой несущей способностью. Использование традиционных транспортных машин для размещения на них объектов весом во много десятков или сотен тонн в таких условиях крайне затруднено, так как на мягком грунте колесо, погружаясь в почву, оставляет глубокую колею, что в сочетании со значительной работой по деформации грунта приводит к резкому увеличению сопротивления движению. Шагающий же движитель, проваливаясь в грунт, не ухудшает своих тяговых характеристик, и не оставляет сплошной колеи, что важно как для выполнения транспортной функции, так и для защиты окружающей среды, ее почвенного покрова.

Предполагается использовать шагающие машины для ликвидации последствий техногенных катастроф, в военных целях. Известны проекты применения информационных шагающих роботов при проведении исследований на поверхности планет солнечной системы.

Все острей становится проблема переуплотнения и разрушения плодородного слоя почвы колесными и гусеничными движителями машин, используемых для обеспечения интенсивных технологий в растениеводстве и лесозаготовках. Легко ранимый колесом или гусеницей почвенный покров почти не имеет свойств самовосстановления.

Шагающие машины предполагается использовать для проведения работ под водой, при обслуживании АЭС и для обеспечения контроля за последствиями аварий на АЭС.

Однако столь ярко проявившиеся потребности не привели до сих пор к созданию достаточной гаммы действующих шагающих машин. Трудности, связанные с проведением в жизнь идеи активного и целесообразного передвижения с использованием шагающего движителя, оказались существенными и связанными с необходимостью управления большим числом степеней свободы, обеспечивающих требуемые кинематические и динамические параметры шагающих устройств.

Конкретное исполнение шагающего движителя и применение той или иной степени автоматизации управления движением шагающей машины зависит, в первую очередь, от назначения машины и условий ее применения. Информационные роботы, работающие в экстремальных условиях, должны использовать сложные бортовые вычислительные комплексы, тогда как для технологических шагающих машин применение их нецелесообразно. Так же можно оценить и требования к техническим характеристикам шагающих машин. Машины, предназначенные для транспортировки аппаратуры, должны обладать большей комфортабельностью движения, тогда как машине, применяемой в качестве тягового органа на пашне, такие требования не предъявляются. Разная степень маневренности требуется для информационного автомата и для хлопкоуборочного комбайна на шаговом шасси, работающего практически прямолинейно.

Обеспечение заданных эксплуатационных свойств шагающей машины требует развитой системы управления. По функциям, структуре и алгоритмам системы управления ШМ можно разбить на три уровня. Роль высшего стратегического уровня управления выполняет оператор. Он определяет и задает основные параметры движения машины - направление движения и скорость. На тактическом уровне система управления на основе заданных оператором параметров движения автоматически формирует программное движение корпуса и шагающих движителей. Нижний уровень системы управления с помощью следящих систем реализует программные траектории опорных точек шагающих механизмов.

Прогресс в области автоматического управления, появление малогабаритных ЭВМ создали базу для разработок совершенных систем управления движением шагающих машин. К наиболее важным задачам, решаемым системой управления, относятся следующие: обзор и переработка информации об окружающей среде, координация движения ног машины, построение и стабилизация программного движения машины в пространстве.

Имеется серьезная проблема, связанная с созданием системы информационного обеспечения робота. Используемые в настоящее время системы позволяют судить о форме опорной поверхности. Для организации движения машины система управления должна иметь информацию о возможности постановки ног в ту или иную область не только в зависимости от ее формы, но и в зависимости от ее физических свойств. Система информационного обеспечения машины должна уметь в дорожной обстановке быстро отличить камень от куста зелени, лужу или поверхность жидкой глины от асфальта, "живой" камень от жестко зафиксированного,определить, осыпется ли край уступа при постановке на него ноги и т.д. Вопрос разработки такой системы информационного обеспечения чрезвычайно актуален для автоматических транспортных средств, как для шагающих, так и для колесных и гусеничных.

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства шагающих машин, различное сочетание и варьирование которых приводит к техническим заданиям на проектирование шагающей машины конкретного назначения, относятся: тяговые и энергетические показатели; проходимость всех видов (опорная, профильная, комбинированная); маневренность; устойчивость; грузоподъемность (с учетом специфики перевозимых грузов); комфортабельность движения; структура системы управления; наличие дополнительных технологических функций.

Концепцию транспортной машины с шагающими движителями можно сформулировать следующим образом: шагающая транспортная машина должна иметь возможности, не уступающие традиционным транспортным машинам, она должна вписываться в инфраструктуру существующего транспорта, т.е. ее технические и эксплуатационные характеристики, кроме параметров проходимости, маневренности и скорости, должны быть сравнимы с соответствующими характеристиками традиционных транспортных машин аналогичной грузоподъемности и габаритов.

В то же время, основные параметры проходимости, маневренности и устойчивости шагающей машины (высота преодолеваемых препятствий, минимальный радиус поворота, углы съезда и въезда, угол боковой устойчивости) должны быть принципиально выше, чем у традиционных транспортных машин.

Скорость передвижения шагающей машины значительно ниже, чем у колесных и гусеничных машин и ограничена 10 км/ч. Более высокая скорость, по-видимому, не нужна, учитывая особенности областей применения шагающих машин. Если шагающая транспортная машина решит поставленную задачу, например, со скоростью 5 км/ч, в условиях, где колесные и гусеничные машины достигнут критерия предельного уровня проходимости (скорость их передвижения равна нулю), то экономическая целесообразность таких скоростей в реальных условиях перемещения несомненна.

История развития шагающего способа перемещения искусственных объектов насчитывает более 150 лет.

Статически устойчивое шагание является наиболее простым с точки зрения управления способом перемещения шагающей машины. В частности, в алгоритмах управления движением такой машины можно не учитывать динамические факторы. В то же время статически устойчивые режимы движения обеспечивают высокую маневренность и проходимость, а также неопрокидывание машины при сбоях и отказах.

Одной из первых попыток, направленных на создание транспортного средства шагающего типа, была предложенная П.Л.Чебышевым машина, которая имела в своем составе четыре двухзвенных механизма. Эта машина положила начало конструированию шагающих устройств на основе траекторного синтеза, при котором координация движения опорных точек осуществляется механическим способом с помощью многозвенных кинематических цепей. Однако траекторный синтез с жесткой программой движения на механической основе не получил широкого распространения из-за сложной структуры и кинематики механизмов и низкой приспособляемости к внешним условиям.

Копирующий способ управления положен в основу "педипуляторного" направления конструирования, при котором человек выбирает место постановки опорной ноги, задает траекторию и закон движения опорных точек относительно опорной поверхности, обеспечивает равновесие машины при движении, а шагающее устройство усиливает с помощью приводов команды человека и реализует движение.

Основными функциональными частями шагающей транспортной машины, обеспечивающими осуществление механических перемещений грузов, являются механическая система (корпус машины, трансмиссия, шагающие движители, приводные двигатели) и трехуровневая система управления движением машины.

Создание транспортных шагающих машин большой грузоподъемности требует решения ряда теоретических вопросов, связанных с выбором схем общих компоновок, необходимых энергетических и тяговых характеристик, решения теоретических вопросов при создании рациональных конструкций механизмов шагания, а также развития отдельных разделов теории, расчета и конструирования машины.

Для разработки технического задания на шагающую транспортную машину требуется определить основное назначение, условия эксплуатации, технические характеристики, показатели качества, специальные требования, предъявляемые к проектируемой машине. Для выбора параметров двигателей необходимо разработать математическую модель шагающей машины, позволяющую учитывать влияние этих параметров на эксплуатационные качества проектируемой машины в разнообразных внешних условиях.

Особенности основ теории и расчета динамических и энергетических характеристик статически устойчивых шагающих машин изложены в предлагаемой книге.

Глава 1. Характеристики типов опорных поверхностей

На характер движения шагающей машины влияет тип, качество и состояние опорной поверхности, на которой она перемещается. Все опорные поверхности, влияющие на показатели эффективности перемещения шагающей машины, можно разделить на группы по следующим характерным свойствам:

Примерная типизация условий движения ШМ представлена в табл. 1-4.

Таблица 1

Типы опорных поверхностей и их характеристика по несущей способности

Класс опорной поверхности Тип поверхности и грунтового массива Механическая модель и вид разрушения
1. Жесткие опорные поверхности Сплошной грунтовой массив (грунты с первичными жесткими связями) Твердое тело; сопротивление за счет прочности связей; разрушений нет
Твердый грунт над горными выработками, плывунами без прочного подстилающего основания Твердое тело; хрупкое разрушение сплошности пласта с раскалыванием на части разной величины
Корка смерзшегося грунта над слабыми основаниями
2. Деформируемые опорные поверхности Несвязные скелетные грунты и породы (насыпные и естественно-залегающие); рыхлый сыпучий снег Сыпучее тело. Разрушения: а) в массиве - колееобразование; б) на откосах и в насыпях - обрушение грунта
Связные деформируемые грунты в виде глубокого массива; снеговой покров земли Пористое тело; трехфазная система или грунтовая масса; разрушение в виде колееобразования
Связные деформируемые грунты на твердом, близко расположенном массиве
3. Слабые опорные поверхности Слои переувлажненных грунтов в текучем и близком к текучему состояниях, лежащие на твердом основании Вязкая жидкость на твердом основании
Водонасыщенные грунтовые образования значительной глубины (болота, спущенные пруды и др.) Вязкая и вязко-пластичная жидкость с низкой несущей способностью, без твердого основания
Неминеральные почвы органического происхождения (торфяники) в массиве Малопрочное упругое тело; разрушения в виде колееобразования
Сплошные растительные образования (травяной покров) на болотах без прочного основания Малопрочное хрупкое тело; разрушения в виде разрывов сплошности верхнего слоя; возможно колееобразование
Снеговой покров с твердым наростом над малопрочным массивом снега Хрупкое тело; разрушение в виде провалов в местах нагружения

Таблица 2

Характеристики грунтовых поверхностей по сопротивлению деформированию под нормальной нагрузкой от опор ШМ

Тип грунтового массива Вид грунтовой поверхности или массива Модель реологического состояния, схема и возможные законы деформирования
2. Деформируемые опорные поверхности
Несвязные скелетные грунты и породы (без жестких связей) Сыпучие пески в уплотненном, разрыхленном или увлажненном состоянии в массиве Упругое тело или нерелаксирующее упруговязкое тело. Линейно-деформируемое основание или степенная функция деформирования; безопасные нагрузки
Насыпные пески, галька, щебень, каменные материалы на уплотненном основании; сухая пыль
Пески и породы в насыпях и у краев выемок
Тип грунтового массива Вид грунтовой поверхности или массива Модель реологического состояния, схема и возможные законы деформирования определяются по предельному состоянию равновесия грунта
Связные грунты и минеральные почвы в массиве близлежащего твердого основания Молекулярно-связываемые грунты в твердопластичном состоянии при относительной влажности Wот=0,3-0,4 Упруговязкое тело
Молекулярно-связываемые грунты в вязкопластичном состоянии при Wот=0,5-0,6 Упруговязкопластичное тело или степенная функция деформирования
Почвы и целина с травяным покровом и развитой корневой системой в твердо- или вязкопластичном состоянии
Связные грунты и почвы на близко расположенном основании Насыпные молекулярносвязываемые грунты на твердом, хорошо фильтруемом основание при Wот <0,7 Упруговязкое тело; упруговязкопластичное тело
Размокшие грунтовые дороги с пластичным верхним слоем до 30-50 см
Вспаханная почва при Wот=0,6-0,75
Сельскохозяйственные поля без развитой корневой системы при Wот <= 0,7-0,8 (после уборки урожая)
Жнивье зерновых культур; травяные залежи; луга неполивные (со слабым корневым или травяным покровом)
Поймы рек и осушенные водоемы с илистыми структурными отложениями на плотном основании
3. Слабые опорные поверхности
Водонасыщенные грунтовые образования на твердом основании Оттаивающие мерзлые связные грунты В текучем слое - почти полностью отсутствует сопротивление: текучая жидкость (схема Паскаля);
Сельскохозяйственные поля, пашня, целина, лесные проезды при интенсивном увлажнении и плохом водоотводе (Wот >0,8)
Переувлажненные грунтовые дороги на глубину до 30-50 см и более при слабом водоотводе с поверхности и слабофильтруемом основании в вязкой жидкости появляется сопротивление за счет деформируемости связей: вязкая жидкость (схема Ньютона) и релаксирующая жидкость (схема Максвелла)
Заливные луга, поймы рек, участки поливного земледелия
Водонасыщенные грунтовые образования без жесткого близлежащего основания Грунтовые суспензии; ил в водоемах; плывуны песчаного и илового состава Вязкая жидкость; релаксирующая упруговязкая жидкость
Некоторые виды болот
Неминеральные почвы и грунты почвенно-растительного и органического происхождения Увлажненные и водонасыщенные торфы разного состава Упругое малопрочное тело или упругопластичное тело (схема Сен-Венана); сопротивление за счет прочности связей при отсутствии внутреннего трения
Лугово-болотные и болотные почвы, торф над слоем сапропеля или водоема значительной глубины
Осушенная торфяная залежь различного органического состава Упругопластичное малопрочное тело; сопротивление за счет внутренних связей при внутреннем трении

Таблица3

Характеристика опорных поверхностей движения по сцеплению с ними опор ШМ

Тип опорной поверхности Вид и состояние поверхности Механическая модель и вид трения-сцепления
1. Жесткие опорные поверхности
Твердые грунты, породы Сухое чистое покрытие Полусухое трение материала опор о поверхность покрытия
Влажная и мокрая поверхность твердого покрытия; травяной покров грунта; наносы мокрого грунта и грязи на твердом покрытии покрытии Полужидкостное и жидкостное трение
Обледенелое и заснеженное состояние поверхности; лед и уплотненный сухой чистый снег при температуре воздуха < -20С Полусухое трение
Тающий лед и снег при температуре воздуха от минус 2 до плюс 50С Жидкостное трение
Слой сыпучего неуплотненного снега на обледенелом или заснеженном покрытии при температуре воздуха от минус 2 до плюс 50С Полужидкостное трение материала опор о лед и внутреннее трение в снегу
Оттаивающий мерзлый связный грунт Жидкостное и вязкое трение
2. Деформируемые опорные поверхности
Несвязные скелетные грунты Массив несвязного грунта (пески) в плотном состоянии Полусухое трение опор о грунт
Сыпучие разрыхленные и насыпные пески в массиве и на твердом основании, сухие и увлажненные Сцепление за счет внутреннего трения в грунте
Связные грунты и почвы Грунты в твердопластичном состоянии Wот=0,3 - 0,5 Сопротивление грунта сдвигу определяется внутренним трением и сцеплением
Грунты в вязкопластичном состоянии Wот=0,5 - 0,7
Связные грунты и почвы Грунты с дерновым покровом или корневой системой в сухом или увлажненном состояниях Сопротивление грунта сдвигу определяется внутренним трением и сцеплением
Тип опорной поверхности Вид и состояние поверхности Механическая модель и вид трения-сцепления
3. Слабые грунтовые образования
Водонасыщенные грунтовые образования без близлежащего жесткого основания Связные грунты в вязком состоянии при 0,7<Wот<0,95 Вязкое трение: в текучем состоянии грунты имеют ничтожное сцепление и незначительное внутреннее трение
Связные и сыпучие грунты, залитые с поверхности водой (поймы, берега рек и озер, спущенные пруды с илом и др.)
Водонасыщенные грунтовые образования без близлежащего жесткого основания Грунты в вязкотекучем состоянии (болота) На вязком грунте сцепление обусловлено жидкостным или вязким трением
Неминеральные почвы и грунты органического и почвенно-растительного происхождения Осушенная торфяная залежь Сцепление обусловлено внутренним трением и сцеплением
Увлажненные торфяники; лугово-болотные почвы, перенасыщенные водой Полужидкостное трение по поверхности контакта и сопротивление срезу почвы в массиве

Таблица 4

Виды неровностей и препятствий на опорных поверхностях перемещения ШМ

Класс опорной поверхности Вид поверхностей Типичные неровности, препятствия и их характеристика
Жесткие опорные поверхности Дороги с неровным покрытием, ледовым покровом и укатанным снегом Волнистость, выбоины, неровный лед, снег. Неровности описываются статистическими характеристиками случайного микропрофиля дороги.
Городские дороги, строительные площадки Узкие улицы и проезды
Класс опорной поверхности Вид поверхностей Типичные неровности, препятствия их характеристика
Естественные проезды на местности в лесах и на мелколесье, при лесоразработках Древесно-кустарниковая растительность, деревья, пни, срезанные деревья, кустарник
Сухие грунтовые дороги Колейность, выбоины, волнистость, ямы со скоплениями пыли
Специальные инженерные сооружения Вертикальные стенки, окопы, эскарпы, рвы, канавы
Каменная порода в карьерах и на местности Валуны, крупная галька, щебень
Стесненные проезды в горах Глубокие расщелины, мелкие горные реки, намывы камней и песка
2.Деформируемые опорные поверхности Пахота неборонованная и боронованная в сухом состоянии Твердые структурные образования из грунта; борозды
Сельскохозяйственные поля после уборки урожая в сухом состоянии Неровности случайного микропрофиля, описываемые статистическими характеристиками
Плотные и сыпучие пески в естественном залегании, сухие Мелкие и средние барханы, волнистость поверхности, холмы
Насыпной грунт и каменные материалы (галька, щебень) на строительных площадках, в отвалах карьеров Насыпи и россыпи в состоянии неустойчивого равновесия (возможны обрушения)
Увлажненные грунтовые дороги Глубокие колеи, выбоины, волнистость; ямы, залитые водой
3. Слабые грунтовые образования Поймы, осушенная залежь, спущенные пруды, берега водохранилищ Крутые откосы берегов, канавы, рвы, запруды, обрушенные
Класс опорной поверхности Вид поверхностей Типичные неровности, препятствия и их характеристика деревья
Торфяники, лугово-болотные почвы, плывуны Кустарник, кочковатая растительность, мелколесье

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕХАНИЗМОВ ШАГАНИЯ МАШИН ОПОРНОЙ ПРОХОДИМОСТИ

Структура функционального привода определяется принятой кинематической схемой одного механизма шагания, он является исходным элементом для исследования и проектирования любой схемы шагающего движителя.

Очевидно, что кинематическая схема механизма шагания существенно влияет также и на построение системы поворота ШМ, системы адаптации к местности и др., в значительной степени определяет схему всей машины и в конечном итоге ее потребительские качества: проходимость, тяговые свойства, экономичность, надежность и т.д.

2.1. Анализ кинематических и динамических характеристик механизмов шагания с одной степенью свободы

Для решения ряда технологических задач рационально использовать шагающие машины с простейшей системой управления, обеспечивающей ее функционирование в заранее обусловленной среде.

Широкое распространение получили четыре механизма с точки зрения их пригодности в качестве механизмов шагания транспортно-технологических машин опорной проходимости. Рассматриваемые схемы отобраны из известных с учетом следующих качеств:

Этим требованиям удовлетворяют механизмы изображенные на рис. 2.1...2.5.

Коэффициент режима ( = 0,5 при равномерном вращении входного звена обеспечивают схемы рис. 2.1, 2.4, 2.5, в состав которых включен лямбдаобразный механизм. Механизмы таких схем позволяют без принятия дополнительных мер по увеличению скорости вращения входного звена в фазе переноса создать движитель в составе блока из двух механизмов, работающих со сдвигом фаз 180(, обеспечивающего непрерывную опору на грунт в текущий момент времени.

Рис. 2.1. Сдвоенный лямбдаобразный механизм Для четырехзвенника (см. рис. 2.2) ( = 0,375 и для шестизвенника (см. рис. 2.3) ( = 0,292. Для увеличения коэффициента режима до 0,5 необходимо введение дополнительного механизма, например, редуктора с некруглыми зубчатыми колесами, двухкривошипного четырехзвенника, кривошипно-кулисного механизма и т.п., что приводит к значительному усложнению конструкции механизма шагания.

Рис. 2.2. Четырехзвенник, ( = 0,375 - коэффициент режима (без acd ). Присоединение 4-звенного механизма с равномерно вращающимся кривошипом обеспечивает ( = 0,508

По точности воспроизведения прямой механизм (см. рис. 2.1) превосходит все остальные (максимальное отклонение 5 мм на 1000 мм длины опорного участка).

По равномерности скорости на прямолинейном участке заметных преимуществ ни одна из рассмотриваемых схем не имеет. Неравномерность горизонтальной скорости достигает 30%.

Лучшую форму траектории имеет шестизвенник (см. рис. 2.3): участки захода и схода с опорного участка наклонены под углом 45( к горизонту и имеют высоту около 60% от длины трека. Нога меняет направление горизонтального движения, уже значительно поднявшись над опорной поверхностью, что уменьшает вероятность ее волочения. Форма траектории близка к симметричной, что позволяет достаточно успешно двигаться как передним, так и задним ходом.

Рис. 2.3. Шестизвенный механизм шагания, AB = 1, BC = 1,4555, CD = CK = 1,355, AD = 1,233, LBCK = 105(, ED = 0,3836, AE = 1,502, EF = 2,091, FK = 0,8, FL = 2,727

Лямбдаобразный механизм (см. рис. 2.1) имеет участки захода и схода с опорной траектории высотой около 3% длины трека. Так, при длине шага 800 мм, изменение направления горизонтальной скорости в начале переноса происходит при подъеме ноги над опорной поверхностью на 14 мм, что в реальных условиях движения дает практически неизбежное волочение ноги в начале переноса и горизонтальный удар при опускании ноги в конце переноса.

Установка на выходе лямбдаобразного механизма дополнительного механизма подъема-опускания опорной стойки в виде двух или четырехзвенного механизма (см. рис. 2.4, 2.5) позволяет получить высоту подъема ноги над опорной поверхностью в начале переноса в 2 или 4 раза больше с сохранением благоприятного распределения горизонтальных скоростей и коэффициента режима ( = 0,5, характеризующих лямбдаобразный механизм.

Рис. 2.4. Ортогональная нога с приводом от лямбдаобразного механизма и механизма подъема-опускания ноги в виде шарнирного двухзвенника

Максимальная высота подъема ноги над опорной поверхностью при одинаковой длине шага 800 мм составляет: для схем рис. 2.1 - 160 мм; рис. 2.2 - 140 мм; рис. 2.3 - 500 мм; рис. 2.4 - 310 мм; рис. 2.5 - 365 мм. Этот показатель можно считать удовлетворительным для всех схем в случае проектирования машины, предназначенной для ходьбы по сравнительно ровной поверхности, к которой можно отнести и сельскохозяйственные поля ряда регионов страны.

Рис. 2.5. Ортогональный механизм шагания с приводом от лямбдаобразного механизма и механизмом подъема-опускания ноги в виде шарнирного четырехзвенника

Максимальное значение горизонтального ускорения ноги в движении относительно корпуса машины при движении со скоростью 10 км/час составляет для схем рис. 2.1, 2.4, 2.5 - 15 м/с2 , для схемы рис. 2.2 - 23 м/с2 , для схемы рис. 2.3 - 320 м/с2 . Как видно, схемы на основе лямбдаобразного механизма обеспечивают наиболее плавное движение ноги, наименьшие инерционные нагрузки и потери мощности на их преодоление. Для схемы рис.2.3 мгновенные значения ускорений звеньев достигают больших величин, что может привести к заклиниваниям и ударам при работе механизма.

Рис. 2.6. Траектории точек Д и В лежат соответственно в вертикальной. и горизонтальной плоскостях

Конструктивные особенности:

минимальное количество плоскостей, по которым должны быть разнесены рычаги из условия непересечения их точками подвеса составляет для лямбдаобразного механизма - 2 плоскости, для двойного лямбдаобразного механизма (см. рис. 2.1) - 5 плоскостей, для схемы рис. 2.2 - 2 плоскости (без ускорителя), для схемы рис.2.3 - 4 плоскости (без ускорителя). Использование рычажного ускорителя добавляет еще 2 плоскости.

Необходимость разнесения рычагов в разные плоскости сильно усложняет конструкцию, приводит к консольному креплению кронштейнов, необходимых для организации неподвижных точек подвеса, из-за чего конструкция получается нежесткой в поперечном направлении. С этой точки зрения схемы рис. 2.4, 2.5 выглядят предпочтительнее;

относительные размеры звеньев механизма в сравнении с заданной длиной прямолинейного участка траектории. По этому показателю ортогональные схемы рис.2.4 и 2.5, у которых длина трека составляет 95% от размаха траектории и не зависит от длины ноги, более предпочтительны, чем рычажные механизмы. Так, у шестизвенника (см. рис.2.3) длина опорной части траектории составляет всего около 50% размаха и приблизительно равна длине наиболее длинного рычага. Высота точки подвеса ноги составляет 1,4 длины опорного участка;

наличие в механизме поступательных пар обуславливает введение в конструкцию физических направляющих, усложняющих и утяжеляющих ее, а также увеличивающих потери на трение. По этому показателю схемы рис.4 и рис 5 уступают рычажным;

перпендикулярность опорной стойки к треку на всей его длине позволяет встраивать в механизм гидроцилиндр адаптации и облегчает "дисциплинирование" опорной плиты в фазе переноса. По этому показателю преимущество ортогональных схем очевидно (см рис. 2.4 и 2.5).

Проведенный анализ показывает, что в качестве основного варианта шагающих движетелей для машин грунтовой проходимости можно рекомендовать ортогональный механизм с приводом от горизонтально расположенного лямбдаобразного механизма, к свободному концу шатуна которого присоединяется механизм подъема-опускания опорной стойки в виде рычажного двухзвенника (см. рис.2.4).

Эта схема сочетает достоинства лямбдаобразного механизма - автоматическое получение коэффициента режима ( = 0,5 при равномерном вращении входного звена кривошипа; высокую точность воспроизведения прямой линии в фазе опоры; приемлемую равномерность движения на прямолинейном участке и относительно низкие ускорения в фазе переноса (а = 1,5g при скорости движения 10 км/ч); обратимость движения; относительную простоту рычажного лямбдаобразного четырехзвенника и двухзвенного механизма подъема-опускания стойки - с достоинствами ортогональной схемы: перпендикулярностью стойки к опорному участку на всей его длине, жесткостью конструкции благодаря развитой заделке корпуса стойки (ноги) в каретке по сравнению с шарнирной подвеской рычажной ноги.

Рис. 2.7. Сдвоенный лямбдаобразный механизм

Использование в схеме промежуточного рычажного механизма подъема опорной стойки с передаточным отношением, ориентировочно равным 2 (при приемлемых размерах звеньев), позволяет как увеличить максимальную высоту подъема ноги, так и улучшить форму криволинейной части траектории переноса.

Рис. 2.8. Привод на сдвоенный лямбдаобразный механизм

Рис. 2.9. Сдвоенный лямбдаобразный механизм

Использование четырехзвенного механизма подъема-опускания (см. рис. 2.5) позволяет получать в начале подъема ноги передаточное отношение механизма равным 4 - 4,5 (уменьшающееся к вершине траектории до 2), что улучшает форму кривой переноса - нога четко отрывается от опоры (вектор скорости опорной точки в относительном движении составляет с горизонтом угол более 50( ). Но соотвественно в 4 - 4,5 раза увеличивается нагрузка на рычаги, удерживающие ногу в рабочем положении, и усложняется конструкция (по сравнению с двухзвенником).

Работа механизма подъема-опускания стойки в схемах рис. 2.4, 2.5 осуществляется за счет перпендикулярных к треку перемещений конца шатуна лямбдаобразного механизма при движении его по криволинейной части траектории и не требует дополнительного привода.

2.2. Классификация кинематических схем механизмов шагания

При рассмотрении структурных схем и конструктивного исполнения механизмов, отобранных на основе сформулированных выше требований и проведенного кинематического анализа, можно выделить несколько групп механизмов по следующим классификационным признакам:

1. Вид основного прямолинейно-направляющего механизма (ПНМ):

1) Лямбдаобразный механизм (( - механизм).

2) Четырехзвенный рычажный однокривошипный механизм с изогнутым шатуном (четырехзвенник Н.В.Умнова).

3) Шестизвенный рычажный механизм с одной степенью свободы.

2. Наличие дополнительного механизма в схеме движителя.

Дополнительным механизмом называют группу звеньев с нулевой степенью подвижности относительно тех звеньев, к которым она присоединяется. Таким образом, используя принцип образования механизмов Л.В.Ассура, получаем новый механизм на основе одного из названных ПНМ, обладающий новыми свойствами.

По этому признаку выделим три группы шагающих движителей:

1) Без дополнительного механизма.

Примером могут служить сдвоенные ( - механизмы (см. рис. 2.1, 2.7 - 2.9), работающие синхронно и перемещающие общую опорную стойку, башмак которой движется по траектории, повторяющей траекторию конца шатуна ( - механизма.

По такому же принципу построена стопоходящая машина Чебышева, в которой опорная стойка присоединена непосредственно к траекторной точке ( - механизма (вопрос о способе сохранения вертикального положения стойки на всем протяжении шагового цикла П.Л.Чебышевым не рассматривался).

2) С механизмом повышения коэффициента режима ходьбы.

Такой дополнительный механизм устанавливается перед входным звеном основного ПНМ (кривошипом) с целью изменения горизонтальных скоростей опорного башмака в фазах опоры и переноса для повышения коэффициента режима ходьбы до заданного значения без изменения формы траектории.

Примером может служить четырехзвенник, входной кривошип которого является неравномерно вращающимся выходным звеном дополнительного механизма, выполненного также в виде шарнирного четырехзвенного механизма (см. рис. 2.2). Форму траектории опорного башмака определяет шатунная кривая основного четырехзвенника, а распределение скоростей по траектории корректируется дополнительным четырехзвенником. За счет ускоренного переноса ноги коэффициент режима ходьбы можно поднять с ( = 0,375 (при равномерном вращении кривошипа основного ПНМ) до ( > 0,5.

Дополнительный механизм может быть выполнен в виде кривошипно-кулисного механизма, некруглых зубчатых колес и по другим схемам.

Шестизвенник (см. рис.2.3), характеризующийся среди рассмотренных механизмов, наибольшей относительной высотой подъема стопы в фазе переноса и большим размахом траектории по отношению к размерам звеньев механизма, имеет наименьший коэффициент режима

( = 0,292.

Для ( - механизма, траектория которого характеризуется очень низким расположением над опорной поверхностью точек смены знака горизонтальной скорости (около 9% максимальной высоты подъема в середине траектории), ( = 0,508.

Таким образом, улучшая форму траектории при синтезе рычажного механизма, приходится сталкиваться со снижением коэффициента режима ходьбы и необходимостью установки дополнительного механизма для его корректировки, что усложняет конструкцию движетеля, снижает его КПД и надежность.

3) С механизмом улучшения формы траектории.

Такой дополнительный механизм присоединяется к выходному звену основного ПНМ с целью увеличения высоты траектории на участке переноса. При этом удается улучшать распределение вертикальных скоростей стопы при сходе с опорного участка, добиваясь к началу переноса величины подъема стопы в 2 - 4 раза больше, чем у основного ПНМ. Распределение горизонтальных скоростей и, следовательно, коэффициент режима при этом определяется только основным ПНМ.

Примером могут служить схемы ( - механизмов (см рис. 2.4), в которых перемещения траекторной точки ( - механизма подаются на вход дополнительного механизма подъема-опускания опорной стойки, обеспечивающего в начале подъема стопы передаточное отношение 2 - 4 для быстрого ее отрыва от опоры, уменьшающего вероятность волочения. К середине переноса передаточное отношение спроектированного механизма уменьшается до 1,5...2, по следующим соображениям: траектория у исходного ( - механизма в высшей точке имеет удовлетворительную высоту (около 0,2 размаха), а искусственное дополнительное "поддергивание" вверх стопы вызывает увеличение результирующего ускорения в фазе переноса и дополнительные энергозатраты на преодоление инерционных сил.

Рис. 2.10. Механизм со вспомогательным прямолинейно-направляющим механизмом

Рис. 2.11. Механизм со вспомогательным прямолинейно-направляющим механизмом

Рис. 2.12. Шагающий механизм с дополнительными кривошипно-ползунным и лямдаобразным механизмами

Рис. 2.13. Сдвоенный механизм шагания в поперечной плоскости

Рис. 2.14. Схема механизма

Рис. 2.15. Конструктивное исполнение механизма шагания

Рис. 2.16. Шагающий механизм с наклонно-расположенным лямбдаобразным механизмом

Рис. 2.17. Механизм шагания с замкнутой направляющей

Рис. 2.18. Элементы конструкции механизма шагания с замкнутой направляющей

Рис. 2.19. Соединение двух наклонных механизмов шагания в поперечной плоскости

Рис. 2.20. Конструкция четырехзвенного механизма шагания с дополнительным механизмом

3. Вид использованного в конструкции движителя механизма подъема-опускания опорной стойки (ПОС).

Виды рассмотренных ПОС:

1) Рычажный двухзвенный механизм (2.4, 2.10 - 2.12).

2) Рычажно-ползунный механизм (рис 2.13).

3) Четырехзвенный рычажный механизм (см. рис.2.5).

4) Пантограф (рис. 2.14, 2.15).

5) Эллипсограф (рис. 2.16).

6) Замкнутая направляющая, плоская или пространственная, по которой перемещается верхний конец опорной стойки (рис. 2.17, 2.18). Сложность осуществления этой схемы обусловлена следующим: часть прямолинейного горизонтального участка траектории ( -механизма должна быть отведена для подъема и опускания стойки по наклонным поверхностям за счет горизонтального ее ведения шатуном, что снижает коэффициент режима ходьбы; для предотвращения заклинивания механизма при смене шатуном направления горизонтального движения необходима пружина, которая выталкивает ролик на верхнюю ветвь направляющей при достижении шатуном крайнего правого положения. При заходе на опорную траекторию для опускания стойки эта пружина должна быть сжата. При этом в начале рабочего хода, когда шатун начинает движение слева направо, сжатая пружина стремится толкать ролик вверх на ветвь переноса. Для предотвращения этого устанавливается защелка, которая пропускает ролик сверху вниз при движении влево, но запрещает движение вверх в начале движения направо. Наличие защелки усложняет конструкцию и требует экспериментальной проверки надежности работы схемы.

Схемы с пространственными направляющими и приводами горизонтального перемещения стойки в виде цепных и тому подобных передач требуют в крайних точках траектории поворотов достаточно большого радиуса для возможности их обкатывания роликами, закрепленными на опорных стойках (минимальный радиус опорного ролика определяется из расчета на контактную прочность). Необходимость в участках поворота снижает коэффициент режима и требует увеличения числа ног, что усложняет конструкцию, повышает вероятность циркуляции мощности при одновременном контакте с опорой нескольких ног, имеющих разную горизонтальную скорость.

4. Конструкция опорной стойки.

В рассмотренных движителях опорная стойка представлена в виде:

1) Жесткой стойки, длина которой не изменяется при работе механизма (см. рис. 2.1 - 2.3).

2) Цилиндрической телескопической стойки, подъем которой осуществляется за счет перемещения штока относительно корпуса стойки (см. рис. 2.4, 2.5). То есть в конструкции стойки использована пара скольжения.

3) Рычажного механизма, звенья которого соединены только парами вращения, к которому прикрепляется опорная плита (см. рис. 2.10 - 2.12, 2.14, 2.15). Такой механизм присоединяется к основному ПНМ, задающему горизонтальное возвратно-поступательное перемещение опорной плиты, и обеспечивает подъем-опускание плиты, используя для этого перемещения ПНМ перпендикулярные к треку (на участке переноса траектории). Передаточное отношение механизма-стойки может быть больше единицы,повышая возможности ШМ при движении по неровностям.

5. Способ организации движения опорной стойки в заданной плоскости.

При разработке конструкции движителя плоскость, в которой перемещается опорная стойка (плоскость шагания), может быть задана:

1) Расположением плоскости перемещения звеньев основного ПНМ.

Этот способ реализуется, когда башмак крепится непосредственно к траекторной точке основного ПНМ (в схеме движителя не используются механизмы улучшения формы траектории). Примером могут служить четырехзвенник (см. рис. 2.2) или шестизвенник, расположенный в вертикальной плоскости, шатуны которых непосредственно используются в качестве опорной стойки. Такие схемы позволяют получать наименьшие по ширине движители. Это, в свою очередь, позволяет соединять узкий блок движителя с корпусом с помощью шарнира,обеспечивая возможность поворота ШМ за счет поворота плоскости шагания вокруг вертикальной оси.

Недостатком названных схем механизмов является неперпендикулярность опорной стойки к треку, что неблагоприятно с точки зрения нагружения звеньев движителей, невозможности встраивания гидроцилиндра адаптации и необходимости "дисциплинирования" опорной плиты в фазе переноса.

Задание плоскости шагания за счет расположения плоскости работы основного ПНМ реализовано в схемах с удвоенными ( - механизмами (см. рис. 2.1, 2.7, 2.9). Их достоинства связаны с достоинствами ( - механизма, недостаток - двойное количество ( - механизмов по сравнению с числом ног.

2) С помощью физических направляющих, по которым перемещается каретка с установленной в ней опорной стойкой.

Плоскость шагания задается расположением направляющих, а приводной ПНМ, осуществляющий в таких схемах функцию преобразования вращательного движения вала трансмиссии в возвратно-поступательное движение каретки, может иметь достаточно произвольную ориентацию своей плоскости, лишь бы трек оставался параллельным осям направляющих. Это открывает определенные возможности при компоновке движителя и машины в целом (см. рис. 2.4, 2.5, 2.13, 2.16, 2.17 - 2.20).

Вторым достоинством схем с кареткой является то, что каретка, имея подвижность вдоль направляющей (что позволяет осуществлять горизонтальное перемещение при рабочем ходе и при переносе), в направлении перпендикулярном траектории подвижности не имеет, благодаря чему может быть использована в качестве базового звена при синтезе дополнительного механизма подъема-опускания опорной стойки, плоскость которого перпендикулярна направляющей.

3) С помощью прямолинейно-направляющих механизмов, к траекторным точкам которых присоединена каретка с опорной стойкой (имеются в виду дополнительные ПНМ, вводимые в конструкцию помимо основного ПНМ) (см. рис. 2.10 - 2.12). Вместо физической направляющей движение каретки задано кинематически - вдоль прямолинейного участка траектории ПНМ. Из конструкции исключена направляющая, которую трудно изготовить точной, жесткой, защищенной от грязи.

В конструкции сохранились пары скольжения, но со значительно более короткими направляющими (почти в 7,5 раза). Однако введены 6 дополнительных подвижных рычагов и шатуны ПНМ нагружены вертикальной силой, перпендикулярной плоскости механизмов (нагрузкой на опорной стойке).

6. Пространственное расположение плоскости основного ПНМ.

1) Горизонтальное расположение основного ПНМ (см. рис. 2.4, 2.5).

2) Вертикальное расположение основного ПНМ (см. рис. 2.1...2.3).

3) Наклонное расположение основного ПНМ (см. рис. 2.19).

2.3. Анализ расчетных схем механизмов шагания

Критерии, на основе которых оцениваются конструкции движителей, построенных на основе рычажных механизмов, можно сформулировать в следующем виде.

1. Габариты движетеля: длина, ширина, высота.

Для сопоставимости результатов конструктивные проработки выполнялись для одного и того же значения размаха траектории - 850 мм.

Сравнение получающихся параметров является простым и наглядным. Вместе с тем объем, занимаемый конструкцией, является достаточно общим и глубоким показателем ее совершенства, так как отражает рациональность выбранных кинематических и силовых схем и в значительной степени определяет возможность расположения движителей на корпусе ШМ последовательно (один за другим) или объединения их в блоки попарно (поперечная компоновка), возможность поворота движителя относительно корпуса ШМ и т.д.

2. Число подвижных звеньев движителя, перемещающих одну опорную стойку.

3. Число плоскостей, в которых движутся звенья механизма.

4. Наличие поступательных пар в конструкции движителя. Физические направляющие, особенно длинные, трудно изготавливать с высокой точностью. Нагрузка со стороны ползуна вызывает их изгиб, что приводит к росту их сечений и, как следствие, веса из-за необходимости обеспечить жесткость, исключающую перекосы и заклинивание пары. Такие направляющие трудно герметизировать, в результате чего они работают в условиях сухого или полусухого трения, снижающего КПД ШМ и увеличивающего износ движителя.

5. Удобство подвода вала трансмиссии к входному кривошипу механизма.

6. Наличие нагрузок, перпендикулярных плоскости ПНМ.

При вертикальном расположении ПНМ отсутствие таких нагрузок обеспечивается автоматически.

При горизонтальном или наклонном расположении приводного ПНМ для разгрузки его звеньев от вертикальной реакции требуется введение горизонтальных направляющих. Весовые нагрузки воспринимаются направляющей, которая как неподвижный элемент корпуса ШМ может быть выполнена достаточно жесткой и массивной. Подвижные звенья механизма, используемого для создания горизонтального тягового усилия, могут быть облегчены, что снижает инерционные нагрузки и повышает КПД.

[ВолгГТУ] [О кафедре] [Home]

Разработчик сайта Александр Малолетов
Контактный телефон/факс (8442) 34-29-28
Дата последнего обновления 18 декабря 2003 г.