Кибернетическая картина мира

Механизмы для передвижения роботов. Во многих роботах для перемещения используется шасси колесного типа. Но в ряде случаев оказывается целесообразным использовать шасси с шагающими устройствами. Их конструкции еще далеки от совершенства, но уже можно описать некоторые типы шагающих машин.

Выбор оптимальной схемы перемещения для подвижных объектов типа «робот» играет решающую роль в повышении эффективности.

Число степеней подвижности отличается от числа степеней свободы механической системы. Степень подвижности – это просто число координат системы, которые могут изменяться. А число независимых обобщенных координат называется числом степеней свободы всей системы и определяется требованиями к эксплуатационным характеристикам, состоянием поверхности и окружающей среды.

Ниже приводится сравнительный анализ трех основных типов движителей: гусеничного, колесного и шагающего.

Справедливости ради, следует отметить, что до настоящего времени для наземного перемещения использовались движители первых двух типов, и лишь с расширением области применения роботов и необходимостью проникновения в труднодоступные районы появились движители шагающего типа, которые, по мнению многих исследователей, могут стать серьезным конкурентом колесных и гусеничных устройств.

Для того чтобы выбрать оптимальную схему перемещения, необходимо прежде всего правильно установить критерии оценки. Оптимальной может считаться схема, позволяющая выполнить поставленную задачу с минимальной затратой энергии. Задачей любого перемещающего устройства является прохождение определенного расстояния для достижения конечной цели вне зависимости от препятствий, встречающихся на пути устройства, и того, будут ли эти препятствия преодолеваться или обходиться.

Сравнение средств перемещения можно производить по величине энергозатрат, весу и габаритным размерам в зависимости от состояния окружающей среды, несущей способности грунта и размеров препятствий.

Скорость перемещения намеренно не вводится в число параметров оценки, так как при перемещении по сильно пересеченной местности скорость колесных и гусеничных устройств снижается на 40–60%, приближаясь, таким образом, к скорости шагающих

131

устройств, и, следовательно, сравнение можно производить при одинаковой скорости перемещения. Кроме этого, для автоматических, самодвижущихся систем типа «робот» вводится дополнительное ограничение на скорость перемещения, состоящее в следующем.

Связь с перемещающимся объектом, находящимся на значительном расстоянии, может иметь задержку по времени порядка нескольких секунд. Эта задержка в сочетании с ограничением разрешающей способности телевизионного изображения, используемого для управления самодвижущимися устройствами, и будет накладывать ограничение на верхний предел скорости, так как время прохождения расстояния до препятствия должно быть больше суммарного времени коммутационной и операторной задержки. Это ограничение относится лишь к самодвижущимся устройствам, управляемым дистанционно и не имеющим достаточного набора подпрограмм для преодоления препятствий.

Остановимся подробнее на анализе энергозатрат, которые характеризуются мощностью, расходуемой на совершение полезной работы, деформацию поверхности, трение в механизмах и потери в приводных двигателях.

Силы, препятствующие движению перемещающихся устройств, можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние силы представляют собой силы трения в движущихся частях устройства. К внешним силам относятся: сила сопротивления движению, вызванная деформацией грунта; сила, возникающая при движении по наклонной плоскости, которая может быть как положительной, так и отрицательной; сила сопротивления среды. Сравнение энергозатрат проведем для одних и тех же условий среды и состояния поверхности, поэтому две последние силы можно не рассматривать.

Условие движения гусеничной машины определяется неравен-

ством Р < Рϕ, где Р – сила сопротивления движению; Рϕ – сила тяги по сцеплению. В свою очередь, Р = fгQ, где fг – коэффициент сопротивления прямолинейному движению, зависящий от качества грунта и конструктивных особенностей ходовой части; Q – вес машины.

Величина коэффициента fг равна 0,03–0,15 для шоссе, 0,20 – для песка и 0,25 – для снега. Сила тяги по сцеплению Рϕ = ϕгQ, где ϕг – коэффициент сцепления, равный 0,74–0,80 для шоссе, 0,45 – для песка и 0,40 – для снега.

Максимальный угол подъема по сцеплению определяется фор-

мулой а = arctg(ϕг – fг).

132

Условие движения колесной машины, как и для гусеничной,

определяется неравенством Р < Рϕ (рис. 3.4, а). Только в этом случае fkQ, где fk – коэффициент сопротивления качению, равный 0,012–0,018 для шоссе, 0,20 – для песка и 0,25 – для снега, а Рϕ = ϕkQ, где ϕk равно 0,5–0,8 для шоссе, 0,4 – для песка и 0,3 – для снега.

Условие движения шагающей машины. Рассмотрим взаимодей-

ствие опорной части шагающего движителя с грунтом. Условимся, что плоскость действия сил и плоскость движения устройства совпадают с плоскостью листа (рис. 3.4, б). Если же учитывать момен-

¸

Рис. 3.4. Силы, действующие: а – на жесткое колесо при качении по деформируемому грунту: h – величина деформации грунта;

v – направление перемещения; Rk, Qk – составляющие реакции опоры колеса; б – на опору шагающего устройства: Qn, Fn – составляющие реакции опоры конечности шагающего устройства

133

ты трения в шарнирах, которые относятся к внутренним силам, то реакция грунта Р, являющаяся равнодействующей всех внешних сил, пройдет через ось шарнира, так как в противном случае не будет соблюдено равенство нулю моментов всех действующих сил относительно шарнира.

В отличие от колесного и гусеничного движителя сила Fn – горизонтальная составляющая реакции грунта, Rn будет силой сопротивления движению лишь в начальный момент касания ноги с грунтом, т. е. в момент деформации грунта, а остальное время цикла движения работа будет затрачиваться лишь на преодоление сил трения в движущихся частях устройства. Характер взаимодействия опорной части шагающего движителя с грунтом такой же, как и у шпор гусеницы. Сила сцепления опорной части шагающего движителя с грунтом равна Рj ≈ ϕшQ, где ϕш – коэффициент сцепления, который можно рассчитать по эмпирическим формулам с учетом геометрии опоры или определить экспериментально.

Условие движения шагающей машины определится неравенством Рϕ > Fs, где Fs – инерционная сила сопротивлению движения, приведенная к опорному звену (сила сопротивления разгону). Из этого соотношения следует, что при наличии малой Рϕ можно, задавшись малыми ускорениями движения, избежать буксования опорных звеньев шагающего движителя относительно грунта.

Сравнение движителей по энергозатратам на перемещение.

Затраты мощности на перемещение определяются работой, затрачиваемой на деформацию грунта, на преодоление трения в движущихся частях и на преодоление сопротивления среды.

Работа по деформации грунта для колеса и гусеницы представляет собой произведение силы сопротивления движению на путь, пройденный устройством. Для шагающего движителя работа по деформации грунта будет зависеть от длины шага и площади опоры, так как в отличие от первых двух типов движителей, в которых грунт деформируется непрерывно, здесь деформация происходит дискретно. Отсюда можно вывести соотношение для определения работы по деформации грунта для шагающих устройств:

А = L/lшlстfш.уQш.у,

где L – пройденный путь; lш – длина шага; lст – длина стопы; fш.у – коэффициент сопротивления шаганию; Qш.у – вес шагающего устройства.

134

Для колесных и гусеничных машин эта зависимость будет следующей:

А = LfQк.м(г.м).

Работу на единице пути можно представить для шагающих, гусеничных и колесных машин соответственно в виде

Из приведенных величин коэффициентов сопротивления f движению и из литературных данных [17] видно, что колесные машины имеют преимущество перед гусеничными на твердых грунтах (шоссе, твердые грунтовые дороги).

Кроме того, при движении по твердому грунту работа по деформации грунта весьма незначительна. Практически грунт почти не деформируется, а затраты энергии определяются в основном потерями в трансмиссии и двигателе, а также сопротивлением среды. Поэтому на твердых грунтах (шоссе, грунтовая дорога) колесные движители имеют бесспорное преимущество перед любым другим типом движителя, т. е. с точки зрения потерь на деформацию грунта шагающие устройства обладают преимуществами лишь на рыхлых и мягких грунтах, обладающих большой пластической деформацией.

Для шагающих устройств в настоящее время неизвестны значения коэффициента f, но есть все основания полагать, что он немногим будет отличаться от коэффициента f для колесных машин и уж, во всяком случае, не будет превышать его. Так как формулы определения работ по деформации грунта для колесных и гусеничных машин одинаковы, а коэффициент различается незначительно, то, следовательно, и работы по деформации грунта будут одинаковыми. Поэтому сравнение работ целесообразно проводить лишь для колесных и шагающих машин. Для сравнения принимаем Qш.у = = Qк.м = 300 кгс. По формулам (3.1) и (3.2) можно построить графики сравнения работ по деформации грунта для колесных и шагающих машин в зависимости от коэффициента сопротивления движению f. Работа на деформацию грунта для шагающих машин значительно меньше, чем для колесных (естественно, и для гусеничных), за счет дискретной колеи. Но это вовсе не значит, что шагающие

135

машины имеют полное преимущество перед колесными и гусеничными, так как на шоссе и грунтовых дорогах последние могут развивать скорость, которая никогда не будет достигнута шагающими устройствами.

Из формулы (3.1) следует, что с увеличением длины шага, поскольку потери энергии за один шаг постоянны, потери на деформацию грунта за единицу пройденного расстояния могут быть как увеличены, так и уменьшены. Но с увеличением длины шага увеличивается и вес ноги, приблизительно как l3/5, где l – длина ноги, что ведет не столько к увеличению веса всей системы, сколько к увеличению инерционных нагрузок. Следовательно, длина шага должна выбираться конкретно для каждого случая в зависимости от конструкции шагающего движителя и требований, предъявляемых ко всей системе.

Здесь же, вероятно, целесообразно рассмотреть и возможности минимизацииудельногодавлениянагрунтq,таккаконопропорционально работе по деформации грунта. В конструкции любого типа движителя среднее удельное давление на грунт может изменяться в довольно широких пределах. Для гусеничных машин оно находится в пределах (0,4–0,6) 105 Па (0,4–0,6 кг/см2). Считается, что машины высокой проходимости должны иметь q = (0,15–0,20) 105 Па (0,15–0,20 кг/см2). Для сравнения можно указать, что давление ноги человека равно (0,5–0,6) 105 Па (0,5–0,6 кг/см2), лыжни-

ка – около 0,1 105 Па (0,1 кг/см2), аэросаней – (0,04–0,05) 105 Па (0,04–0,05 кг/см2).

Для шагающих машин возможно достижение удельных давлений на грунт в пределах (0,15–0,20) 105 Па, так как размеры стопы практически не оказывают заметного влияния на вес ноги, которая может быть выполнена в виде пустотелой конструкции.

Для гусеничных машин снижение удельного давления на грунт ограничивается допустимой шириной гусеницы. Габариты машины, ограниченные по ширине условиями транспортировки, заставляют расширять гусеницу лишь вовнутрь за счет корпуса, что ведет к уменьшению полезного объема для остальных агрегатов и к ухудшению доступа к ним для обслуживания. Более эффективным, если не учитывать явление бокового течения и выпирания грунта при взаимодействии с опорной поверхностью, является увеличение ее длины. Сопротивление движению f для узкой гусеницы будет меньше из-за уменьшения объема прессуемого или вытесняемого грунта. Кроме этого, значительное уширение гусеницы ведет

136

к увеличению ее веса почти в квадратичной зависимости. С точки зрения учета бокового трения и выпирания грунта, которое у узкой гусеницы будет больше, чем у широкой, широкая гусеница имеет преимущество перед узкой. Однако узкая гусеница обладает несомненным преимуществом в уменьшении буксования при одинаковых условиях сравнения.

Правда, применение узкой и длинной гусеницы опять-таки будет ограничено возможными габаритами средств доставки, особенно если речь идет о межпланетных транспортировках. Таким образом, выбор конструктивных параметров гусеничного движителя является чрезвычайно сложным вопросом и зависит от конкретных условий эксплуатации и возможностей средств транспортировки.

Тем не менее, из последних выводов вытекает очевидное преимущество гусеничного двигателя перед колесным при движении на мягких грунтах. Это преимущество заключается в уменьшении потерь на буксование. На твердых грунтах имеет место обратный эффект, так как там коэффициент сопротивления движению гусеницы, как было указано ранее, значительно меньше, чем у колеса. Шагающие устройства, по-видимому, обладают в этом смысле определенными преимуществами перед колесными и гусеничными, поскольку на форму и размеры опоры не накладывается никаких существенных ограничений.

После проведенного сравнения и доказательства преимущества шагающих устройств по энергозатратам в определенных условиях может возникнуть вполне законное возражение, что в шагающих устройствах, помимо затрат энергии на деформацию грунта, требуются еще затраты энергии на холостой ход, т. е. на перенос ног и на преодоление инерционных нагрузок во время перемещения рабочего хода и, следовательно, такое сравнение неполноценно. Но, вопервых, шагающее устройство может быть полностью уравновешено как статически, так и динамически при помощи специальных устройств, как, например, любая артиллерийская установка; вовторых, на шагающем устройстве может быть применен обратимый гидравлический привод, аккумулирующий энергию при попутной нагрузке, и, следовательно, энергия будет затрачиваться лишь на преодоление трения в шарнирах; в-третьих, как в колесных, так и в гусеничных машинах имеются неуравновешенные массы, на преодоление которых требуются затраты энергии, и, кроме того, потери в трансмиссии колесных и гусеничных машин на пониженных передачах достигают значительных величин.

137

Немаловажным фактором в оценке эффективности различного типа движителей является также рассмотрение способа преодоления различных препятствий и неровностей поверхности. У колесных и гусеничных машин способ преодоления препятствий в принципе одинаков, так как и те, и другие устройства имеют непрерывную колею. Любой бугор, камень, впадина, канава и т. д. будет вызывать вертикальное перемещение центра тяжести (ЦТ) системы и, следовательно, увеличивать затраты энергии на перемещение и за счет вертикального движения ЦТ, и за счет увеличения динамических нагрузок, являющихся следствием этого перемещения.

Шагающие системы, имеющие дискретную колею, преодолевают препятствия принципиально другим способом, а именно перешагиванием через них. Обладая достаточной гибкостью в управлении траекторией перемещения ноги, они могут перемещать ЦТ строго горизонтально, исключая, конечно, спуски и подъемы, и тем самым не затрачивать энергию на его вертикальное перемещение и дополнительные динамические нагрузки. Такой дополнительный выигрыш в затратах мощности на перемещение может зачительно увеличивать запас хода шагающих устройств.

Следующим важным фактором оценки эффективности по затратам мощности на перемещение является внутреннее трение.

Потери на трение в колесном устройстве с жестким ободом, не имеющим в системе трансмиссии большого числа зубчатых передач, сравнительно невелики. В шагающем устройстве за счет большого числа шарниров и подвижных соединений эти потери выше. В гусеничных машинах ввиду наличия большого числа вращающихся соединений (трансмиссионные валы, поддерживающие катки, соединительные концы траков и т. д.), а также наличия зубчатых и других передач для редуцирования скорости приводного двигателя потери на трение будут еще выше. Таким образом, основными соперниками по этому критерию оценки являются колесные и шагающие устройства. Но в любом колесном движителе имеются полноповоротные наружные вращающиеся валы, тогда как в шагающем устройстве углы поворота шарниров ног ограничены. Для сред, имеющих большие перепады температур и низкий вакуум, проблема уплотнения и герметизации полноповоротных вращающихся соединений весьма сложна.

Кроме того, в условиях низкого вакуума могут иметь место диффузионные явления в материалах вращающихся соединений, что ведет к их заклиниванию. Подвод смазки к вращающимся соедине-

138

ниям в условиях низкого вакуума также является весьма сложной задачей, так как смазка в таких условиях мгновенно испаряется, и требуется высокая степень герметизации для обеспечения нормальных условий работы. Применение различных синтетических материалов для уменьшения трения без наличия смазки, за исключением, пожалуй, телефона, пока не дает положительных результатов. Для шагающих устройств, имеющих вращающиеся соединения с ограниченным углом поворота, проблемы герметизации и термостатирования не являются сложными на современном уровне развития техники и могут быть реализованы достаточно просто, как, например, в гибких сочленениях скафандра.

Сравнение движителей по возможности преодоления препят-

ствий.Рассмотримтехникупреодоленияпрепятствийразличными типами движителей. При преодолении препятствия типа «уступ» гусеничной машиной размер препятствия определяется высотой Н расположения ленивца Л (рис. 3.5, а), которая выбирается в за-

139

висимости от многих других конструктивных параметров машины. Для гусеничных машин высота преодолеваемой вертикальной стенки колеблется в пределах от 0,5 м у легких машин до 1,2 м у тяжелых машин. Высота преодолеваемого уступа у колесных машин не может превышать треть диаметра колеса D (см. рис. 3.6, а). Высота преодолеваемого уступа у шагающих устройств зависит как от длин звеньев ноги l1 и l2, так и от углов разворота звеньев θ1 и θ2 (рис. 3.7). Проведенные исследования показали, что величина преодолеваемой вертикальной стенки для автономных шагающих устройств типа «робот» находится в пределах 0,7–2 м для систем с весом в пределах от 150 до 800 кгс соответственно (см. рис. 3.7).

При преодолении гусеничной машиной препятствия типа «ров» ширина рва определяется длиной опорной части гусеничного обвода L и расположением ЦТ. При расположении ЦТ в середине опорной части обвода (рис. 3.5, б) ширина преодолеваемого рва может быть не более половины L. Для современных гусеничных малых и тяжелых машин ширина преодолеваемого рва находится в преде-

,

Рис. 3.6. Преодоление колесной машиной препятствий типа «уступ» (а) и «ров» (б, в)

140