Визуализация движения мехатронно-модульного робота Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_________________________КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ________________________________________

УДК 621.865.8

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ МЕХАТРОННО-МОДУЛЬНОГО РОБОТА П.В. ГЕРАСИН, Ю.С. РЕДЬКО, В.В. МАРТЫНОВ

(Донской государственный технический университет)

Проанализированы актуальность и сфера применения модульных роботов, состоящих из однотипных модулей. Разработана кинематическая модель и на ее основе составлена программа визуализации движения одного из таких роботов. Полученные результаты могут быть использованы при отработке системы интеллектуального управления движением таких роботов.

Ключевые слова: мехатроника, модульные роботы, кинематическая модель, визуализация движения, экстремальная робототехника.

Введение. Разработка модульных роботов (МР) с адаптивной кинематической структурой в настоящее время является одним из перспективных направлений мехатроники. МР состоят из однотипных модулей, объединенных в единую многозвенную конструкцию, а соединение таких модулей позволяет создавать различные по структуре механизмы. По сравнению с обычными мобильными роботами МР обладают серьезными преимуществами, среди которых надежность и способность преодолевать сложные препятствия. В МР используются новейшие достижения робототехники, мехатроники, теории управления (в том числе интеллектуальное управление движением). Одна из основных областей применения МР - экстремальная робототехника [1]. К сожалению, в литературе практически отсутствует информация о внутренней структуре, алгоритмах и программном обеспечении, используемых для управления перемещением и реконфигурацией таких роботов. Из отечественных работ следует упомянуть статью [2], в которой рассмотрено движение одномерного МР по плоской поверхности.

Разработка кинематической схемы и программа визуализации. Нами исследована визуализация волнообразного взаимного смещения модулей МР, приводящего к его продольному перемещению. Приняты следующие допущения и ограничения: все модули имеют одинаковые геометрические размеры; каждый из модулей состоит из головного и хвостового звеньев одинаковой длины и бесконечной жесткости; звенья соединены безлюфтовым шарниром с одной степенью подвижности, допускающим их взаимный поворот на угол ±(п-у). Угол у определяется конструктивными ограничениями используемых в модулях МР шарниров. Начало неподвижной декартовой системы координат связано с начальным положением «кончика хвоста» первого модуля. Направление оси ОХ совпадает с направлением движения МР. Ось OY повернута относительно оси ОХ на угол п/2 против часовой стрелки (на рис.1 оси координат не показаны). Звенья каждого модуля условно обозначены отрезками прямых: черными - для голов-

ного, т.е. первого по направлению движения МР, белыми - для хвостового звеньев (см. рис.1, на котором показана последовательность прохождения волны по длине модуля). Номера модулей обозначены цифрами у соответствующих шарниров. Звенья каждого i-го модуля образуют между собой углы aiV где i - порядковый номер модуля, начиная с крайнего левого.

На примере МР, состоящего из n=5 последовательно соединенных модулей, составлена кинематическая модель. Анализ кинематики движения МР позволил составить уравнения, описывающие изменения углов при вершинах модулей в зависимости от времени. Обозначив длину одного звена модуля через l, запишем выражение для максимально допустимого перемещения МР за один цикл движения как Axmax = 21 (2 2(1 - cos у)) (величина Axmax огра-

ничивается параметром у). Угол ai, при котором будет обеспечено заданное перемещение Ах (например, при вершине модуля 2 на рис.1, стадия б), составит:

8lAx - 812 - (Ax)2

Система координат Начало координат: х ^ ^ Настройки Количество модулей: “ Отображение Размер шарнира: 'lFj

Длина звена Дельтах 31) 200 Толщина линий: |ЇГ|

Шаг сетки по оси Ох: |яГ] Скорость: |ш

Рассчитанные параметры Угол а2

Косинус:-0,334

Косинус 0,9'

Угол п-а4 Косинус: 0,747

Рис.2. Интерфейс программы «ModularRobot»

При прохождении волны по длине робота угол при шарнире модуля 2 проходит через значение а2=п (см. рис.1, стадия в), которому соответствуют значения углов при шарнирах 1 и 4:

48/2 -12/Лх + (Ах)2

а, = arccos- ,

1 8/(Лх - 6/)

24/2 -12/Лх + (Лх)2

а 4 = arccos----------------;——.

4 4/Лх - 24/2

Перемещение МР обеспечивается за счет последовательного воспроизведения повторяющихся движений всеми модулями МР как элементами кинематической цепи, в результате чего от первого модуля к последнему «пробегает» волна и весь МР продвигается вперед на расстояние Ах. Задачей системы управления перемещением робота является согласованная отработка углов в шарнирах модулей. На основе кинематической модели разработана программа «ModularRobot» (рис.2), позволяющая визуализировать перемещение МР при последовательном выполнении движений каждым звеном, что в дальнейшем будет использовано при отработке интеллектуальной системы управления движением таких роботов. Визуализация может быть реализована в любом назначенном оператором масштабе времени.

Заключение. В результате проведенных исследований разработана кинематическая модель многозвенного модульного робота и программа визуализации его движения. Полученные результаты могут быть использованы при разработке интеллектуальной системы управления движением и реконфигурацией модульных роботов в условиях неопределенности внешней среды. Библиографический список

1. Роботы и робототехника. [Электрон. ресурс]. - Режим доступа: http://insiderobot.blogspot.com.

2. Макаров И.М. Алгоритмы управления движением многозвенных мехатронно-модульных роботов с адаптивной кинематической структурой / И.М. Макаров [и др.] // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - №3. - С.2-9.

Mатериал поступил в редакцию 18.04.2011.

References

1. Roboty' i robototexnika. [E'lektron. resurs]. - Rezhim dostupa: http://insiderobot.blogspot.com. - In Russian.

2. Makarov I.M. Algoritmy' upravleniya dvizheniem mnogozvenny'x mexatponno-modul'ny'x robotov s adaptivnoj kinematicheskoj strukturoj / I.M. Makarov [i dr.] // Mexatronika, avtomatizaciya, upravlenie. - 2008. - #3. - S.2-9. - In Russian.

MECHATRONIC-MODULAR ROBOT MOVEMENT VISUALIZATION

P.V. GERASIN, Y.S. REDKO, V.V. MARTYNOV

(Don State Technical University)

The urgency and application of the single-type modular robots is considered. The kinematical model-based program of such robot movement visualization is worked out. The obtained results can be used for the development of the intelligent manipulation of the robot movement.

Keywords: mechatronics, modular robots, kinematical model, movement visualization, extremal robotics.