Многозвенный робот - гусеница

Полезная модель относится к мобильным самоходным транспортным средствам и может быть использована для передвижения в различных условиях - грунтах, по плоскими труднодоступным поверхностям, внутри труб с различными диаметрами и резкими изгибами.
Известен ползающий робот-змея, являющийся самоходным транспортным средством, содержащий три одинаковые звена, выполненные в виде плоских крестообразных пластин, соединенных при помощи двух сферических шарниров, и прикрепленные к звеньям при помощи сферических шарниров два линейных электропривода, представляющие собой реверсивные двигатели постоянного тока с реечной передачей (патент RU 67541, МПК B62D 53/00 (2006.01)).
Основными недостатками данного устройства являются сложность конструкции из-за введения линейных электроприводов, которые представляют собой два зависимых узла - двигатели и реечные передачи, сопровождающееся повышенными энергетическими затратами вследствие необходимости преодоления трения между поверхностью среды и перемещающимся роботом-змеей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является многозвенный робот-змея, являющийся самоходным транспортным средством, который содержит одинаковые звенья, шарнирно сочлененные между собой соединительными элементами с возможностью углового смещения относительно друг друга посредством электропривода с электродвигателем. Каждое звено выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого жестко закреплены диск с прорезью. Внутри прорези каждого диска установлена ось. Соединительные элементы установлены на осях соседних звеньев. Вал электродвигателя совмещен с одной из осей вращения звена. Электропривод с электродвигателем, то есть привод перемещения соединительных элементов, осуществляет связь звеньев. Все звенья или некоторые из них снабжены колесными движителями (патент RU 130916 U1, МПК B60F 5/00 (2006.01)).
Основным недостатком вышеописанного устройства является узкая сфера применения вследствие отсутствия возможности его движения в трубах с малыми радиусами изгиба ввиду малого угла поворота звеньев относительно друг друга, что приводит к большому радиусу поворота всего транспортного средства, при повышенной сложности конструкции, связанной с использованием колесных движителей, и значительных энергозатратах, направленных на преодоление повышенного трения между поверхностью среды и движущимся роботом-змеей.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в создании многозвенного робота-гусеницы с расширенной сферой применения при упрощении конструкции вследствие отсутствия колесных движителей и снижении энергозатрат преодолением повышенного трения между поверхностью среды и движущимся устройством.
Расширение сферы применения устройства обусловлено обеспечением возможности его движения в трубах с малыми радиусами изгиба ввиду увеличения угла поворота звеньев относительно друг друга, образованных подвижными относительно друг друга секциями каждого звена с общей осью вращения, что в свою очередь приводит к обеспечению малого радиуса поворота всего устройства.
Решение названной технической проблемы достигается тем, что в многозвенном роботе-гусенице, содержащем одинаковые звенья, соединенные между собой с возможностью углового перемещения относительно друг друга с помощью электропривода с электродвигателем, вал которого совмещен с осью вращения звена, согласно полезной модели каждое из звеньев образовано двумя подвижными относительно друг друга секциями, имеющими общую ось вращения. Вал электродвигателя совмещен с общей осью вращения каждого звена. Последующее звено относительно предыдущего закреплено под углом 90° так, что оси вращения двух соседних звеньев оказываются ортогональными друг другу. Последнее по направлению движения устройства звено снабжено дополнительным основанием.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено звено многозвенного робота-гусеницы, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 показан многозвенный робот-гусеница, содержащий три звена; на фиг. 4 схематично показан поворот по часовой стрелке первой секции первого звена в исходном положении устройства; на фиг. 5 - поворот второй секции по часовой стрелке третьего звена по ходу движения устройства; на фиг. 6 - поворот первой секции против часовой стрелки первого звена по ходу движения устройства; на фиг. 7 - одновременный поворот первой секции первого звена против часовой стрелки и поворот второй секции против часовой стрелки третьего звена по ходу движения устройства; на фиг. 8 - возврат звеньев в исходное положение устройства в соответствии с фиг. 4; на фиг. 9 - поворот первого звена относительно второго на угол α относительно прямолинейного движения.
Кроме этого, на чертеже дополнительно приведено следующее:
дополнительные буквенные обозначения звеньев, а именно звено 1, звено 2, звено 3;
дополнительные буквенные обозначения секций, а именно, сек 1, сек 2;
О - общая ось вращения секций в звене;
Т - точка секции звена с высоким коэффициентом трения;
горизонтальная линия со стрелкой и буквой Д, показывающая направление движения;
круговые линии со стрелками, показывающие направления поворота секций, образующих звенья.
Многозвенный робот-гусеница, представленный в трехзвенном исполнении, содержит одинаковые звенья 1 (звено 1), 2 (звено 2), 3 (звено 3), соединенные между собой с возможностью углового перемещения относительно друг друга. Три звена являются тем минимальным количеством звеньев, которые обеспечивают движение устройства.
Каждое звено многозвенного робота-гусеницы образовано двумя подвижными относительно друг друга первой секцией 4 (сек 1) и второй секцией 5 (сек 2), имеющими общую ось вращения 6 (О) относительно друг друга в звене.
Первая секция 4 (сек 1) содержит основание 7 и ребра 8, 9, 10, связанные с основанием 7. Вторая секция 5 (сек 2) содержит вертлюг 11, ребро 12, соединенное с основанием 13, электропривод с электродвигателем, в качестве которого использован сервомотор 14, снабженный держателем 15, ребра 16 и 17, связанные с основанием 13. Электропривод с электродвигателем предназначены для обеспечения возможности углового перемещения звеньев 1 (звено 1), 2 (звено 2), 3 (звено 3) относительно друг друга. Вал (на чертеже не показан) сервомотора 14 совмещен с осью вращения 6 (О) каждого звена (фиг. 1, 2).
Основание 13 звена 1 прикреплено к основанию 7 звена 2 болтами 18. При этом звено 2, последующее относительно звена 1, повернуто в пространстве на угол 90° относительно звена 1. Таким образом, оси вращения 6 (О) двух соседних звеньев 1 и 2 оказываются ортогональными друг другу. Так ось 6 (О) звена 1 расположена ортогонально оси 6 (О) звена 2.
Основание 13 звена 2 прикреплено к основанию 7 звена 3 болтами 19. При этом звено 3, последующее относительно звена 2, повернуто в пространстве на угол 90° относительно звена 2. Таким образом, оси вращения 6 (О) соседних двух звеньев 2 и 3 оказываются ортогональными друг другу. Так ось 6 (О) звена 3 расположена ортогонально оси 6 (О) звена 2.
В состав звена 3 как последнего звена в трехзвенном исполнении устройства входят не только первая секция 4 (сек 1) и секция 5 (сек 2), но и обязательное дополнительное основание 7, последнее по направлению движения устройства, которое прикреплено к основанию 13 болтами 20 (фиг. 3).
Первая секция 4 (сек 1) и вторая секция 5 (сек 2), показанные на фиг. 1 и фиг. 2, выполнены подвижными относительно друг друга за счет привода - вертлюга 11, который жестко связи с секцией 4 посредством ребра 8 и валом сервомотора 14, закрепленного в секции 5 посредством держателя 15.
Движение многозвенного робота-гусеницы осуществляется следующим образом. Вначале первая секция 4 (сек 1) звена 1 вращается сервомотором 14 по часовой стрелке вокруг оси 6 (О). Звено 2 и звено 3 остаются в покое (фиг. 4). Далее вторая секция 5 (сек 2) звена 3 вращается также по часовой стрелке и поднимает звено 2 (фиг. 5). Перемещение робота-гусеницы при этом не происходит, потому что в точке Т звена 1 обеспечен высокий коэффициент трения. Далее осуществляется поворот первой секции 4 (сек 1) звена 1 против часовой стрелки с помощью сервомотора 14, звено 2 приподнимается (фиг. 6). Затем, с задержкой во времени, происходит вращение второй секции 5 (сек 2) звена 3 против часовой стрелки. За счет одновременного вращения этих секций происходит движение робота-гусеницы в направлении стрелки «Д» (фиг. 7). Движение в приподнятом состоянии исключает трение звеньев о поверхность, что снижает энергозатраты. Далее первая секция 4 (сек 1) звена 1 возвращается в исходное положение (фиг. 8). С задержкой в 2 мс возвращается в исходное положение вторая секция 5 (сек 2) звена 3. Задержка обеспечивает возврат первой секции 4 (сек 1) звена 1 без смещения назад за счет высокого коэффициента трения в точке Т (фиг. 7).
Такая работа секций обеспечивает прямолинейное движение робота. Поворот робота-гусеницы от прямолинейного движения осуществляется сервоприводом 14 за счет поворота первой секции 4 (сек 1) звена 2 вокруг оси 6 (О) (фиг. 9). Максимальный угол α поворота звеньев составляет: α=90°.
Экономичная за счет низких энергозатрат конструкция предлагаемой полезной модели позволяет осуществить передвижение в различных условиях, преимущественно труднодоступных, без одновременного использования дополнительных колесных движителей.