CC BY
7
НОВЫЙ ТИП ДВУХРЕЖИМНОГО ЧЕТВЕРОНОГОГО РОБОТА
Цзо Лян, магистр Ли Чжочэн, магистр Ван Чжэн, магистр
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Россия, г. Москва)
Б01:10.24412/2500-1000-2022-5-2-73-79
Аннотация. Спроектирована конструкция двухрежимного четвероногого робота. Новый тип робот может переключаться между режимом шагающего и режимом колесного с помощью электрических цилиндров на ногах. Чтобы выполнить эта задача, разработан токопроводящий коленный сустав робота. Рассмотрены зависимости параметров: ширины, толщины и количества канавок от деформации детали и оптимизированы параметры важных частей робота. Наконец, с помощью моделирования ортогонального эксперимента определены значения параметров.
Ключевые слова: четвероногий робот, новый тип роботов, колечный режим, шагающий режим.
ный режим и шагающий режим. Когда робот находится в колесном режиме, он может двигаться с высокой скоростью, а когда робот находится в режиме движения ногами, он может ходить в различных сложных условиях. Скорость и устойчивость робота тесно связаны с размером колес. Если колеса слишком маленькие, это приведет к тому, что робот будет завибрировать во время движения. Если колеса будут слишком большими, робот не сможет выполнять сложные действия, такие как подъем по лестнице в шагающем режиме [3].
В последние годы технология бионических четвероногих роботов быстро совершенствовалась. Китайская компания Unitree Robotics произвела множество бионических четвероногих роботов. Эти четвероногие роботы уже могут быть легко куплены людьми через интернет-магазины. Но четвероногому роботу есть что улучшить. На основе исследования существующих гибридных четвероногих роботов, разработана четвероногого шагающего робота [2]. Этот вид роботов может автоматически переключаться между двумя режимами с помощью электрических цилиндров. У робота два режима, колес-
Рис. 1. Новый двухрежимный четвероногий робот
установленные на голенях, для переключения между двумя режимами (рис. 1). Ко-
Новый двухрежимный четвероногий робот использует электрические цилиндры,
гающего режима в колёсный режим. Роботы с двумя режимами могут адаптироваться практически к любой сложной среде и обладают преимуществами шагающих роботов и колесных роботов.
гда робот находится в колёсном режиме, привод удлини, робот переходит из колёсного режима в шагающий режим. А когда робот находится в шагающем режиме, привод сокращает, робот переходит из ша-
Рис. 2. Принцип работы двух режимов робота
линдра вокруг ног робота, он должен иметь специальную конструкцию для проведения электричества (рис. 3). Новая проводящая конструкция состоит из двух частей: одна - это полый вал (1), через который могут проходить провода; другая представляет собой гребенчатую структуру (2) с множеством зубцов, которая может улучшить проводимость границы раздела. При вращении электрического цилиндра, гребнеобразная конструкция плотно прижимается к металлическому болту (5), установленному на изоляционной втулке (4) полого вала. Такая же конструкция установлена с обеих сторон электрического цилиндра, которые соответственно используются для подключения положительного и отрицательного электродов источника питания.
Новая конструкция должна соответствовать следующим требованиям:
1) Когда электрический цилиндр совершает круговое движение вместе с колесом, электрический ток может передаваться на контроллер электрический цилиндр через вращающееся устройство.
2) Когда робот находится в режиме колеса, колеса не должны легко деформироваться. Когда робот хочет переключиться из колесного режима в ходовой, колеса должны легко деформироваться.
Чтобы соответствовать вышеуказанным требованиям, спроектирована новая проводящая конструкция и оптимизированы параметры колес.
Новая проводящая конструкция. Когда колеса вращаются, чтобы не допустить запутывания провода электрического ци-
Рис. 3. Специальная конструкция для проведения электричества
как жесткость в направлении X способствует тому, чтобы колес сохранят свою первоначальную форму.
Конструкция деформируемых колес.
Как показано на рис. 4, жесткость колеса в направлении Y не способствует взаимному переключению двух режимов, в то время
Рис. 4. Состояния колес в двух режимах
зазора внутри дуги будет уменьшаться, пока не столкнутся. В это время жесткость металлической дуги будет увеличена. Когда два конца металлической полукруглой дуги удаляются друг от друга, зазор увеличивается, при этом зазор не влияет на жесткость металлической дуги.
Колеса с механической анизотропией.
Вдохновленный арочным мостом (рис. 5), несколько прорезей, прорезанных внутри металлической полукруглой дуги, значительно изменяют жесткость металлической дуги в направлении X и Y. Когда два конца металлической полукруглой дуги находятся близко друг к другу, ширина
Рис. 5. Металлическая полукруглая дуга с несколькими зазорами
радиус принимается за фиксированное значение. Сначала необходимо параметризовать детали, а затем определить экспериментальные данные параметров в соответствии с предварительными экспериментами.
Определены параметры Колеса. После параметризации деталей используются ортогональные эксперименты для анализа влияния различных параметров деталей на жесткость деталей в направлениях X и Y [4]. Радиус полукруглой дуги зависит от хода электрического цилиндра, поэтому
Рис. 6. Параметры детали
Таблица 1. Экспериментальные данные
1 2 3 4 5
Длина зазора (мм) 1 2 3 4 5
Толщина обода (мм) 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Ширина зазора е (мм) 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Ширина детали Ь (мм) 10 15 20 25 30
Количество зазоров п 6 12 18 24 30
X как анизотропию направления детали [5].
л = %
механического
Результаты ортогонального теста представлены в таблице ниже.
Ниже приведены данные моделирования, полученные с помощью ортогонального эксперимента. Чтобы оценить влияние параметров на механические свойства детали в направлении X и направлении Y, мы определяем отношение величины деформации в направлении Y к направлению
Таблица 2. Результаты ортогонального теста
h1 h2 e b n Y (мм) X (мм) Л
1 3 0.6 0.2 15 6 87.973 4.8425 18.16686
2 3 1 0.1 10 30 151.76 6.0442 25.10837
3 3 1.4 0.15 20 18 27.384 1.1244 24.35432
4 3 1.2 0.25 30 24 31.236 1.2581 24.82792
5 3 0.8 0.3 25 12 49.585 2.1487 23.07674
6 4 1 0.15 30 12 22.484 0.9939 22.62199
7 4 1.4 0.25 25 6 9.9614 0.52713 18.89743
8 4 1.2 0.3 15 30 73.46 2.9287 25.0828
9 4 0.8 0.2 10 18 148.77 6.1525 24.18041
10 4 0.6 0.1 20 24 172.1 6.5312 26.35044
11 1 0.8 0.25 20 30 213.88 8.3557 25.5969
12 1 1.4 0.1 15 12 78.147 3.1364 24.91615
13 1 0.6 0.3 30 18 195.12 7.8794 24.76331
14 1 1.2 0.15 10 6 145.99 6.0365 24.18454
15 1 1 0.2 25 24 101.45 4.0323 25.15934
16 2 1.2 0.3 10 18 96.172 3.9049 24.62854
17 2 0.8 0.2 20 24 120.09 4.64 25.88147
18 2 0.6 0.1 30 12 77.768 3.3143 23.46438
19 2 1 0.15 25 6 31.971 1.5037 21.26155
20 2 1.4 0.25 15 30 63.308 2.515 25.17217
21 5 0.8 0.1 20 24 94.212 3.6266 25.97805
22 5 0.6 0.15 30 12 58.817 2.597 22.64806
23 5 1 0.25 25 6 16.277 0.92104 17.67241
24 5 1.4 0.3 15 30 52.506 2.095 25.06253
25 5 1.2 0.2 10 18 65.387 2.7117 24.11292
R: Значение диапазона, R = max(Kv К2, К3...Кп)-mm(KvK2,K3...Kn)
Из этого можно сделать несколько основных предварительных выводов:
1) При заданных параметрах наибольшее влияние на деформацию конструкции оказывает длина шва
2) При заданных параметрах влияние длины обода колеса К2 на направление X больше, чем влияние на направление Y;
3) При заданных параметрах влияние толщины Ь на направление Y больше, чем влияние на направление X.
Для таких факторов, как , К2 и Ь, которые оказывают значительное влияние на деформацию в направлении X и Y, следует выбирать критическое значение.
Для количества прорезей п этот фактор влияния мало влияет на деформации в
Для дальнейшего анализа экспериментальных данных экспериментальные данные были дополнительно обработаны.
КI-: Представляет сумму соответствующих экспериментальных результатов, когда номер уровня в любом столбце равен ь
Путем ортогональных экспериментов мы обнаружили, что для направления Y порядок влияющих факторов от больших до малых:
^ (447.388) > Ь (418.4216) > К2 (395.2306) > e (287.341) > п (268.113) > Пустой
столбец (239.4094) Для направления X:
(17.48896) > К2 (15.76647) > Ь (15.71693) > e (10.3972) > п (9.7483) > Пустой столбец (9.40286)
Из таблицы 5 ясно видно, что количество щелей п имеет наибольшее влияние на направленную анизотропию структуры.
Всесторонний анализ проведенных выше экспериментов позволил сделать следующие выводы:
Таблица 3. Статистики в направлении Y
h, Пустой столбец h2 e b n
кл 347.938 514.721 591.778 523.67 355.394 292.1724
К?, 426.7754 535.7484 323.942 573.987 608.079 554.914
К? 734.587 296.339 231.3064 286.646 627.666 532.833
к. 389.309 342.63 412.245 334.6624 385.425 519.088
К, 287.199 496.37 626.537 466.843 209.2444 286.801
R 447.388 239.4094 395.2306 287.341 418.4216 268.113
Таблица 4. Статистики в направлении Y
h, Пустой столбец h2 e b n
Кл 15.4179 21.7236 25.1644 22.379 15.5176 13.83087
К2 17.13343 21.68773 13.49514 22.6527 24.8498 21.9386
к. 29.4403 12.32074 9.39793 12.2555 24.2779 21.7729
К4 15.8779 14.1457 16.8399 13.57697 16.0427 20.0882
к* 11.95134 19.9431 24.9235 18.9567 9.13287 12.1903
R 17.48896 9.40286 15.76647 10.3972 15.71693 9.7483
Таблица 5. Статистика п
h, Пустой столбец h2 e b n
К, 115.5342 113.6623 119.8872 117.501 118.4005 100.1828
к?, 117.1331 117.2986 111.8237 125.8174 122.2148 126.0228
К? 124.6202 115.7333 118.4026 115.0705 128.1612 122.0395
к. 120.4081 120.2486 122.8367 112.1668 118.3257 128.1972
К, 115.474 122.8968 124.7136 122.6139 106.0675 116.7273
R 9.146264 9.234467 12.88990 13.65056 22.0937 28.01441
ственного анализа, учитывая тот факт, что колесо робота не должно быть слишком узким на практике, используются следующие параметры, и результаты проверяются.
направлениях X и Y, и увеличение его значения полезно для улучшения направленной анизотропии механических свойств конструкции, поэтому его следует увеличивать соответствующим образом.
Проверка новой структуры. Согласно результатам приведенного выше каче-
Таблица 6. Окончательно выбранные параметры
hi h2 e b n
4 0.9 0.1 30 50
Рис. 7. Моделирование деформации в направлении Y
Рис. 8. Моделирование деформации в направлении X
метрический расчет выполнялся для пере- Заключение. В ходе работы спроекти-
менных частей ног робота, а механическое рована конструкция двухрежимного чет-влияние каждого параметра на части опре- вероногого шагающего робота. В соответ-делялся с помощью имитационных экспе- ствии с новой структурой робота спроек-риментов [6]. тирована новая проводящая конструкция и
оптимизированы параметры колес. Пара-Библиографический список
1. Рубцов И.В., Нестеров В.Е., Рубцов В.И. Современная зарубежная военная микро- и мини-робототехника // Микросистемная техника. - 2000. - №3. - С. 36-42.
2. Fujii A, Ishiguro A, Otsu K, ..., Evolutionary creation of an adaptive controller for a leg-ged-robot // Adaptive Motion of animals and Machines. - Montreal, Canada, 2000.
3. Luo Qingsheng, Luo Xiao. Bionic quadruped robot technology. - Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016. - P. 15-30.
4. Chang Qing, Han Baoling, Luo Qingsheng. Theories and methods of steering and oblique motion planning for quadruped robots // Journal of Beijing Institute of Technology. - 2015. -№35 (5). - P. 1-2.
5. Arikawa K., Hirose S. Development of quadruped walking robot TITAN-VIII // Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IROS '96, Osaka, Japan, 1996, pp. 208-214.
6. Wang J, Lu K, Xu S, et al. Research situation and prospect on quadruped walking robot // Manuf Autom. - 2009. - №2 (1). - P. 4-6.
A NEW TYPE OF DUAL-MODE FOUR-LEGGED ROBOT
Tszo Lyan, Master Li Chzhochen, Master Van Chzhen, Master
Bauman Moscow State Technical University (Russia, Moscow)
Abstract. The design of a dual-mode four-legged walking robot has been designed. In the future, this robot will be used for city patrols and factory inspections. An earlier analysis of modern technological solutions showed their main advantages and disadvantages, on the basis of which a conclusion was made about the new design. In the future, the generated tasks and important parts of the new robot will be tested using simulation. A conclusion was made about the main design parameters of the robot.
Keywords: four-legged robot, new type of robots, wheeled mode, walking mode.
