ВИБРОРОБОТ С МАХОВИКОМ И ДЕБАЛАНСНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ

Область техники.
Полезная модель относится к самоходным транспортным средствам и может быть использована в качестве основы различных технических устройств, снабженных функцией перемещения, в том числе эксплуатируемых в сложных климатических или природных условиях, например, на дне искусственных водоемов или на поверхности водоемов, покрытых льдом.
Уровень техники.
Динамика мобильных роботов, использующих способы перемещения, отличные от традиционного движения на колёсах или гусеницах существенно расширяет круг задач, которые ставятся перед классом роботов в целом. Применение вибрационных роботов целесообразно для перемещения в сложных (вязких, сыпучих) средах. Вибророботы не нуждаются во внешних движителях, могут быть выполнены в виде запаянных капсул, в результате чего становятся очень устойчивыми к агрессивному воздействию внешней среды.
Из уровня техники известны различные модели вибророботов. Так, из публикации https://radioskot.ru/publ/raznoe/mikroroboty/18-1-0-1246 известен ряд конструкций вибророботов, сконструированных для выполнения, как правило, одной функции.
Такие роботы достаточно просты в изготовлении и управлении, однако, в силу конструктивных особенностей функционально могут быть использованы преимущественно только в качестве игрушек.
В диссертационной работе «Динамика змееподобных и вибрационных роботов» http://www.ipmnet.ru/files/diss/2010/Sorokin.pdf раскрыты конструкции вибророботов с одним или тремя дебалансными вибровозбудителями. Конструктивно робот представляет собой раму на двух опорах. Внутри рамы закреплены один или три соосных дебалансных вибровозбудителя, приводимые в движение двумя электродвигателями. Каждый из вибровозбудителей собран из лёгкого колеса, на ободе которого зафиксирован свинцовый грузик. Грузики на боковых роторах позиционируются идентично, а сами роторы вращаются синхронно. Используемая механическая схема позволяет жёстко фиксировать сдвиг фаз между вращением боковых грузиков и центрального, который вращается в противоположную им сторону.
Известен также автономный виброробот с дебалансным движителем, состоящий из корпуса с дебалансным движителем, электронной схемы дистанционного радиоуправления роботом, электронной драйверной схемы управления дебалансным движителем и аккумулятора для питания электронных схем управления и дебалансного движителя, имеющий односекционный корпус кубической формы, при этом дебалансный движитель виброробота состоит из четырех реверсивных двигателей постоянного тока с жестко закрепленными на их выходных валах инерционными массами. Реверсивные двигатели установлены внутри корпуса робота таким образом, что каждый из четырех реверсивных двигателей с инерционными массами размещен в центре боковых граней корпуса робота так, чтобы обеспечить симметричное распределение их массы относительно всего корпуса робота (патент РФ на полезную модель №123754).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является самоходное транспортное средство (патент РФ на полезную модель №85878), представляющее собой трехсекционный виброробот, состоящий из соединенных вместе секций - платформы-корпуса с дебалансным движителем, электронных схем управления и блока аккумуляторов, которые позволяют устройству работать автономно.
Недостатками вышеперечисленных устройств является низкая степень их маневренности, невозможность реализации такого режима движения виброробота, при котором его корпус отрывается от поверхности, без последующего удара и опрокидывания.
Краткое раскрытие сущности полезной модели.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении предотвращения опрокидывания корпуса и смягчения удара об опорную поверхность при движении виброробота, в том числе, за счет реализации отрыва его корпуса от опорной поверхности в результате снижения давления корпуса на опорную поверхность.
Преимуществом полезной модели также является возможность управления ориентацией корпуса во время его отрыва от опорной поверхности.
Технический результат достигается тем, что виброробот, включающий корпус, внутри которого установлен дебалансный движитель, а также блок управления, соединенный с источником питания виброробота, согласно техническому решению, содержит два двигателя, предназначенных для приведения во вращение, соответственно, дебалансного движителя и сбалансированного маховика, выполненного в виде однородного диска, установленного в корпусе с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения дебалансного движителя, и расположенного в плоскости перемещения виброробота и в одной плоскости с дебалансным движителем, выполненным в виде однородного диска с асимметрично расположенной прорезью, при этом двигатель, приводящий в движение сбалансированный маховик, снабжен датчиком угловой скорости, а двигатель, приводящий в движение дебалансный движитель, снабжен датчиком угловой скорости и положения дебалансного движителя. Внешняя поверхность основания корпуса выполнена плоской. Соотношение массы маховика и массы дебалансного движителя, а также момента инерции маховика и момента инерции дебалансного движителя может быть выбрано в диапазоне 0,5 - 2. Масса маховика и масса дебалансного движителя может составлять от 0,1 до 0,5 от массы корпуса каждая.
Сбалансированный маховик, двигатель которого оснащен датчиком угловой скорости, и вращающийся в направлении, противоположном направлению вращения дебалансного движителя, компенсирует вращательный момент, создаваемый вращением дебалансного движителя. Оснащение двигателя, приводящего в движение дебалансный движитель, датчиком угловой скорости и положения дебалансного движителя позволяет с помощью блока управления выбирать режим его работы, необходимый для реализации движения корпуса робота с возможностью отрыва от поверхности, то есть такой режим, при котором угловая скорость дебалансного движителя обеспечивает нулевое значение нормальной реакции опоры.
Максимальная эффективность устройства достигается при таком управлении двигателями дебалансного движителя и сбалансированного маховика, при котором реализуется возможность движения корпуса виброробота с отрывом от поверхности с управлением ориентацией корпуса, а именно обеспечивается нулевая нормальная реакция опоры и нулевой суммарный кинетический момент всей системы.
Краткое описание чертежей.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующими чертежами, где
на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства;
на фиг. 2-5 схематично представлены узлы устройства на видах сверху, сзади, спереди и сбоку, соответственно.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус виброробота,
2 - сбалансированный маховик,
3 - ось вращения маховика,
4 - датчик угловой скорости маховика,
5 - дебалансный движитель,
6 - ось вращения дебалансного движителя,
7 - датчик угловой скорости и положения дебалансного движителя,
8 - основание корпуса,
9 - блок управления,
10 - валы двигателей.
Осуществление полезной модели.
Виброробот относится к классу роботов, передвигающихся за счет механических колебаний движущего узла. Заявляемое устройство включает корпус 1 с плоским основанием 8, внутри которого установлен сбалансированный маховик 2, который может вращаться вокруг оси 3, датчик 4 угловой скорости маховика 2, дебалансный движитель 5, который может вращаться вокруг оси 6, датчик 7 угловой скорости и положения дебалансного движителя 5. Корпус может быть выполнен из любого доступного материала, например, из пластика. Сбалансированный маховик 2 представляет собой однородный диск, установленный с возможностью вращения вокруг своего центра, в общем случае, маховик представляет собой твердое тело, ось вращения которого совпадает с одной из его главных осей инерции и проходит через его центр масс. Маховик 2 расположен внутри корпуса 1 таким образом, что плоскость его вращения совпадает с плоскостью движения корпуса 1. Дебалансный движитель 5 представляет собой диск с асимметричной прорезью, установленный с возможностью вращения вокруг своего центра, в общем случае, движитель 5 представляет собой твердое тело, ось вращения которого не проходит через его центр масс. Прорезь в дебалансном движителе выполнена таким образом, что его центр масс смещен от оси вращения диска на расстояние от 0,2 до 0,8 радиуса диска дебалансного движителя. Чем больше смещение центра масс (т.е. чем большую площадь занимает прорезь), тем сильнее будет влияние движителя на перемещение устройства, обеспечиваемого влиянием управляющего момента, который создает двигатель. Слишком сильное смещение центра масс приведет к тому, что незначительные погрешности в формируемом моменте будут заметно влиять на смещение, что нежелательно. Дебалансный движитель 5 расположен внутри корпуса 1 таким образом, что плоскость его вращения совпадает с плоскостью движения корпуса 1. То есть, движитель 5 и маховик расположены в одной плоскости. Они могут быть выполнены, например, из металла или пластика. Двигатели, приводящие в движение маховик 2 и дебалансный движитель 5, жестко закреплены на внутренней боковой поверхности корпуса 1, при этом маховик 2 и дебалансный движитель 5 насажены на подвижные валы указанных двигателей. Дуговыми стрелками (фиг.1) обозначены направления вращения маховика 2 и дебалансного движителя 5. Указанные элементы 2 и 5 снабжены, соответственно, датчиком угловой скорости маховика 4 и датчиком 7 угловой скорости и положения дебалансного движителя. Устройство также снабжено блоком управления 9, установленным в корпусе. Блок 9 регистрирует сигналы от датчиков 4 и 7 и с помощью встроенного контроллера обрабатывает регистрируемые данные и задает управляющий сигнал, который подается на двигатели, приводящие в движение сбалансированный маховик 2 и дебалансный движитель 5. Передача сигнала от блока управления двигателям может быть выполнена проводным или беспроводным способом. Блок управления 9 в качестве источника питания содержит батарею, обеспечивающую автономность работы устройства. Предполагаемый расход энергии составляет 0,5 - 2 Дж на метр перемещения устройства.
Предпочтительно такое расположение маховика 2, дебалансного движителя 5 и блока управления 9 в корпусе 1, при котором их центры масс расположены как можно ближе к основанию 8 с целью снижения риска опрокидывания корпуса 1 в процессе движения. Для достижения максимальной эффективности предпочтительно, чтобы отношение массы маховика 2 к массе дебалансного движителя 5, а также момента инерции маховика 2 к моменту инерции дебалансного движителя 5 находились в диапазоне 0,5 - 2. Кроме того, предпочтительно, чтобы массы маховика 2 и дебалансного движителя 5 составляли каждая от 0,1 до 0,5 от массы корпуса 1. Суммарный вес устройства влияет на его маневренность. Более тяжелое устройство имеет лучшие характеристики рабочего режима, однако выход на этот режим займет больший период времени и, соответственно, большие энергетические затраты.
Заявляемое устройство работает следующим образом. В исходном положении корпус 1 покоится на своем основании 8. Включают двигатель, приводящий в движение дебалансный движитель 5. Диск движителя начинает вращаться. При этом блок управления регистрирует показания датчика 7. Когда угловое ускорение дебалансного движителя 5 достигает значения, достаточного для преодоления трения между основанием корпуса 8 и неподвижной поверхностью, корпус виброробота 1 начинает скользить по прямой в направлении, противоположном проекции вектора скорости центра масс дебалансного движителя 5 на опорную поверхность. Таким образом, возможность смещения корпуса 1 достигается за счет смещения центра масс дебалансного движителя 5. При ненулевой угловой скорости дебалансного движителя 5 блок управления 9 посредством включения соответствующего двигателя задает вращение сбалансированного маховика 2 в направлении, противоположном направлению вращения дебалансного движителя 5, ускоряя маховик 2 до тех пор, пока контроллер блока управления не зафиксирует на основании  показаний датчиков угловых скоростей дебалансного движителя 5 и маховика 2 компенсацию вращательного момента, создаваемого дебалансным движителем 5, что препятствует опрокидыванию корпуса. Таким образом, корпус 1 перемещается поступательно, монотонно смещаясь вдоль горизонтальной линии в заданном направлении.
Пример конкретного выполнения.
Заявляемая полезная модель воплощена в опытном образце виброробота, имеющего корпус в форме параллелепипеда габаритными размерами 15 см*15 см*35 см. В боковой стенке корпуса закреплены два идентичных двигателя (мощностью 5В каждый), на валы которых насажены два диска – маховик и дебалансный движитель. Диски имеют равный диаметр 10 см и массу около 0,2 кг. Датчики, закрепленные на двигателях, соединены с блоком управления посредством проводной связи. В качестве источника питания использована батарея (три батарейки типа ААА). При инициировании вращения дебалансного движителя удалось достичь режима, при котором корпус совершал плавное перемещение в заданном направлении со средней скоростью примерно 1,2 см/с без рывков и опрокидываний корпуса.