О применении перспективного подхода к проектированию исполнительных двигателей антропоморфных роботов на силовых оболочках

О ПРИМЕНЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АНТРОПОМОРФНЫХ РОБОТОВ НА

СИЛОВЫХ ОБОЛОЧКАХ

И.В. Кабанен, магистрант

Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ"

им. Д.Ф. Устинова

Аннотация. В работе описывается методика расчета передаточной функции исполнительного двигателя нижней конечности антропоморфного робота на основе силовых оболочковых элементов.

Ключевые слова: силовой оболочковый элемент, пневматический привод, антропоморфный робот.

На сегодняшний день существует множество различных видов робототех-нических систем, в которых применены разные типы приводов и типовые кинематические схемы. В то же время разработчики этих систем не очень активно применяют в своих разработках новые виды приводов, предпочитая им традиционные. Такая ситуация значительно замедляет появление на рынке новых разработок. В связи с появлением в конце прошлого века значительного числа исследований, посвященных силовым оболочковым элементам, которые практически копируют работу мышц человека и не нуждаются в применении редукторов для преобразования вида движения и его скорости. Данные СОЭ, по существу, представляющие силовую часть исполнительного двигателя, являются силовыми оболочковыми бесштоковыми пневмоцилинд-рами (СОБПЦ) тянущего типа. СОБПЦ вместе с электропневматическим дроссельным распределителем (ЭПДР) представляет собой высоко динамичный исполнительный двигатель. На базе этих СОБПЦ можно скомпоновать ис-

полнительный двигатель двустороннего действия и одностороннего с возвратной пружиной, которые применительно к манипуляторам могут обслуживать одну степень подвижности [1, 2].

К их достоинствам можно отнести высокие значения развиваемого усилия, особенно в начальном положении, отсутствие объемных потерь, высокую удельную мощность и отсутствие сухого трения и люфтов между перемещающимися частями. К основным недостаткам можно отнести относительно малое перемещения СОЭ и существенное падение развиваемого усилия при сокращении СОЭ.

Построение привода на СОЭ

Поскольку СОЭ являются элементами одностороннего действия, то им требуется наличие некоторого возвратного устройства в виде дополнительного СОЭ или других механизмов. Наиболее простой является схема, когда возвратное движение осуществляется под действием силы тяжести объекта управления. На рис. 1 представлены основные варианты построения привода на СОЭ [3].

Рис. 1. Варианты построения привода на СОЭ

Рис. 2. Расположение СОЭ относительно звеньев

На рис. 2 показан вариант схемы привода на СОЭ, который в дальнейшем будет исследован при создании схемы организации движения нижней конечности. Две группы пневмомуску-лов (ПМ) включены по дифференциальной схеме. ПМ1 работают в одном направлении, ПМ2 работают в противоположном направлении. При подаче сжатого воздуха из магистрали нагнетания через дроссельный распределитель в ПМ1 с одновременным сбросом отработанного воздуха из ПМ2, ПМ1 начинает сокращаться, развивая значительное тянущее усилие, пропорционально разности усилий, развиваемых этими ПМ. За счёт этого усилия голень начинает подниматься. И наоборот, при сокращении ПМ2 голень начинает опускаться.

Составления передаточной функции для СОБПЦ

Общий вид передаточной функции по управлению имеет вид:

вд

wynp

00 =

и is)

«-упр

s

где: - передаточная функция

ЭПДР; Ц^) - изображение по Лапласу напряжения на входе в ДР; &упр - коэффициент передачи по управлению; Т -постоянная времени; ^ - коэффициент затухания, в соответствии с []:

1н

kgp Ср

ynp = (i + к5рсрс5ж

х

рт

100%'

т =

mL

н

\кр(1 + к3рСрС3)100%'

~ ¿я

\крт( 1 + к3р СрС5) 100%

где кр - силовой коэффициент; кдр -коэффициент зависимости изменения сокращения от изменения объема; Ср-коэффициент расширения газа относительно давления; Сд-коэффициент расширения газа относительно сокращения ПМ.

Используя исходные данные, взятые из технического задания: масса объекта, частота вращения, параметры СОЭ, и т.д. Далее произведем расчет параметров, необходимых для нахождения коэффициентов передаточной функции:

• Используя рисунок 3, находим значение радиуса оболочки в рабочей

точке r,

рт

• При помощи рисунка 4, находим значение коэффициента kw

• Вычисляем объем СОЭ в рабо-

рт кУУ"'рт^н

чей точке Vm =

\

V

100%

j

• Из таблиц 1, 2 и рисунков 5, 6 определяем численные значения Ср, Cg,

j kgp •

0.04

0.035

0.03

0.025

0.02

0.015

0.01

0.005

- Начальный диаметр оболочки 10мм ---- Начальный диаметр оболочки 20мм - — Начальный диаметр оболочки 40мм

—

у

0 2 4 6

10 12 14 16 18 20 22 24 5, %

Рис 3. Зависимость между радиусом оболочки и ее сокращением

Рис. 4. Значение коэффициента kV

VV

Таблица 1

Ср, МПа Давление внутри оболочки СОЭ

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Для изотермического процесса

0.049 0.1.21 0.204 0.295 0.394 0.498 0.607 0.720

Для адиабатического процесса

0.049 0.099 0.149 0.199 0.248 0.298 0.348 0.398

Таблица 2

Типо- раз-мер ПМ Относительное сокращение оболочки СОЭ 5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

010 мм 0.311 0.245 0.200 0.168 0.143 0.124 0.108 0.095 0.084 0.075 0.067

020 мм 0.262 0.212 0.176 0.150 0.129 0.113 0.099 0.088 0.078 0.070 0.062

040 мм 0.248 0.202 0.170 0.145 0.125 0.109 0.096 0.085 0.076 0.068 0.061

Рис. 5. Значение коэффициента жесткости кр.

Диаметр оболочки 1 Омм

Диаметр оболочки 20мм

Диаметр оболочки 40мм

10 15

10 15 Ь.%

10 15 8.*

Рис. 6. Значение коэффициента k5p

• Из полученных данных, находим передаточную функцию СЧ СОБПЦ с конкретными значениями параметров.

• Составляем структурную схему соответствующей системы управления

приводом (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема скорректированной системы управления International Journal of Humanities and Natural Sciences, vol. 6, part 1

Результаты моделирования скорректированной системы при входном воздействии типа единичный скачок и гар-

моническом входном воздействии представлены на рис. 8 и 9.

50

-50

/7 и H \\ / ! // lj \ \ \\ / и i 1 > Yv Vy \ " \\ \s

V \ 1 И и У \ \\ 1 ! // U /I

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Рис. 8. График переходного процесса при подаче на вход системы гармонического сигнала

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Рис. 9. График переходного процесса при подаче на вход системы сигнала типа

единичный скачок

Из результатов моделирования вид- близки к возможностям человеческого но, что динамические показатели ко- сустава. ленного сустава по каналу управления

Библиографический список

1. Пневмомускул MAS /Электронный ресурс] / Festo : [сайт] - Режим досту-па:http://www.festo.com^at/ru_m/data/doc_m/PDF/RU/MAS_RU.pdf, свободный.

2. Шароватов, В. Т., Лошицкий, П. А. Математическая модель силового бес-штокового пневмоцилиндра одностороннего действия.

ON THE APPLICATION OF A PERSPECTIVE APPROACH TO DESIGNING EXECUTIVE ENGINES OF ANTHROPOMORPHIC ROBOTS ON POWER SLIPS

I.V. Kabanen, graduate student Baltic state technical university

Abstract. The paper describes a technique for calculating the transfer function of the executive motor of the lower limb of an anthropomorphic robot on the basis ofpower shell elements.

Keywords: power sheath element, pneumatic drive, anthropomorphic robot.