Моделирование динамики гидравлической системы управления шагающей машины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат физико-математических наук Костюк, Александр Викторович

• Костюк, Александр Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Костюк, Александр Викторович

Введение.

Глава 1. Анализ динамических и энергетических характеристик основных типов гидравлических систем управления.

1.1. Усилия и скорости, развиваемые гидроцилиндрами.

1.2. Анализ основных типов гидравлических систем управления.

1.3. Устройство и принцип работы насоса с LS-управлением.

1.4. Регулирующая аппаратура. Принцип работы распределителя с пропорциональным управлением.

1.5. Структурная схема управления ГСУ.

1.6. Исполнительные гидроцилиндры.

1.7. Возможные варианты схем.

Глава 2. Математические модели гидросистемы управления шагающей машины.

2.1. Нелинейная математическая модель.

2.1.1. Математическая модель ГСУ одной степени свободы ноги ШМ с насосом с LS-управлением и ограничителем давления.

2.1.2. Математическая модель насоса с LS-управлением.

2.1.3. Математическая модель пропорционального распределителя.

2.1.4. Математическая модель силового гидроцилиндра.

2.1.5. Математические модели нелинейностей.

2.2. Линейная модель ГСУ.

Глава 3. Алгоритмический и программный комплекс для моделирования динамики ГСУ.

3.1. Структура программы.

3.2. Ввод параметров моделирования.

3.3. Возможные ошибки.

3.4. Методы решения системы дифференциальных уравнений.

Глава 4. Результаты моделирования.

4.1. Оценки адекватности моделей (Сравнение с каталожными характеристиками).

4.2. Результаты моделирования ГСУ ноги ШМ с одним насосом с LS-управлением.

4.3. Гидравлическая система управления поворота стойки.

4.4. Гидравлическая система управления бедра.

4.5. Гидравлическая система управления голени.

4.6. Коэффициент полезного действия ГСУ.

4.7. Моделирование ГСУ, ног, принадлежащих одной "трёшке", и работающих от одного насоса.

4.8. Регулятор положения.

4.9. Моделирование различных режимов движения ШМ.

4.10. Результаты моделирования линейной модели ГСУ.

4.11. Тепловой расчёт.

4.12. Анализ массогабаритных показателей различных вариантов гидросхем.

4.13. Трансмиссия ШМ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование динамики гидравлической системы управления шагающей машины»

Основные преимущества шагающих движителей по сравнению с колесными и гусеничными транспортными средствами. Около половины земной поверхности непроходима для традиционных колесных и гусеничных транспортных средств [1]. В то же время животные и люди могут передвигаться по большей части этой местности. Необходимость создания наземных транспортных средств высокой проходимости заставила обратиться к созданию шагающих машин (ШМ).

Использование ног в качестве движителей машины позволяет повысить профильную проходимость и перемещаться по сильнопересеченной местности [1]. Шагающая машина использует для опоры в процессе движения малую площадь в дискретных точках поверхности местности, которые могут выбираться и варьироваться в соответствии с дорожными условиями. Это обстоятельство делает шагающий транспорт незаменимым, когда непрерывная колея невозможна - движение по «кочкам», по россыпи камней и т.п.

Шагающие машины обладают высокой маневренностью. Они способны перемещаться вперед, назад, вбок и вообще с произвольным углом между направлением движения и продольной осью машины, совершать повороты и развороты на месте изменять клиренс, менять углы наклона корпуса.

Машина имеет богатые возможности выбора опорных точек, положения ног и корпуса для фиксации "позы" и восприятия рабочих усилий при выполнении технологических операций. При этом автоматически может быть обеспечена устойчивость и безопасность работы.

Ноги шагающей машины могут использоваться в качестве рабочего инструмента для подготовки точек опоры (утаптывание, расчистка) или 5 для выполнения простых работ (копание ям, резка колючей проволоки, поиск мин и т.п.).

Следует ожидать более высокой фунтовой проходимости шагающих машин по сравнению с колесными и гусеничными [1]. Деформация грунта в дискретных зонах опоры ног не создает таких очагов разрушения почвы как непрерывная колея колесных и гусеничных машин, что особенно важно для машин, эксплуатируемых на местности с легко разрушаемым почвенным покровом (тундра, склоны гор и холмов, лес и т.п.). Так же TITM обладают рядом особенностей, которые обеспечивают кардинальное расширение диапазона использования оборудования и позволяют выполнять на сложной местности работы, недоступные для традиционно применяемых колесных и гусеничных машин. Эти преимущества шагающих машин определяют разнообразные области их возможных применений.

Основные области применения шагающих аппаратов.

Первоначально, применение шагающих и карабкающихся аппаратов планировалось начать в атомной и космической промышленности, где необходимо выполнять инспекционные, регламентные и подобные им работы в условиях опасных для жизни человека. Исследования и разработка таких машин довольно длительное время фокусировались именно на таком их использовании. Разработка аппаратов для атомной промышленности и сейчас остаётся приоритетным во всём мире. Всё расширяющееся освоение космоса и строительство крупных орбитальных комплексов делает использование подобного рода машин в космических исследованиях так же весьма перспективным.

По мере развития технологии другие отрасли промышленности также начали проявлять свою заинтересованность в применении шагающих аппаратов. Созданные рабочие образцы и прототипы, показали большой промышленный потенциал таких машин, которые могут выполнять задания в опасной зоне и действовать как рабочая платформа для 6 манипулятора в районах недоступных для традиционных транспортных средств (колесных, гусеничных). Каждая из областей промышленности, где в будущем возможно использование ШМ предъявляет к ним свои требования, которые позволят им выполнять те или иные специфичные функции. Среди многих областей применения ШМ можно выделить основные:

• Карабкающиеся аппараты разрабатывались преимущественно для использования в атомной промышленности, однако в последствии стало очевидным, что они могут найти значительно более широкое применение. Но на сегодняшний день потребность в аппаратах для дистанционного обследования, проведения различных регламентных работ в атомной промышленности остаётся основной. Такие роботы должны уметь передвигаться по горизонтальной, вертикальной поверхности, переходить с пола на стену, со стены на крышу, преодолевать различные препятствия. Кроме того, они должны уметь самостоятельно адаптироваться к изменяющейся обстановке.

• В строительной промышленности необходимы машины, для выполнения инспекционных функций, а также способные нести на себе различное технологическое оборудование (мытьё окон, проведение покрасочных, сварочных работ и. т. д.), что позволит избежать таких дорогостоящих и опасных работ как возведение строительных лесов.

• Карабкающиеся аппараты могли бы быть полезны в нефтяной промышленности, в частности, на шельфовых нефтяных платформах для инспекций, очистки и ремонта подводных частей нефтяных платформ.

• Подводные роботы найдут применение для исследования подводных частей конструкций мостов, очистки водозаборов гидроэлектростанций, инспекции канализационных стоков, очистных сооружений, трубопроводов различного назначения. Роботы, способные выполнять такие задания, могут быть приспособлены для очистки днищ кораблей даже тогда, когда судно находится в море. Также большой потенциал 7 подводных роботов может быть использован при поиске и обследовании затонувших кораблей.

• Горная промышленность испытывает потребность в роботах для мониторинга загазованности горных выработок, обследования разрушений после взрывов, поиска выживших, разбора завалов и. т. д.

• В химической промышленности ШМ могут использоваться для сбора образцов, дезактивации загрязненной территории, обследования и ремонта оборудования, которое представляет опасность для жизни людей. Так же карабкающиеся аппараты можно использовать для ультразвукового обследования больших резервуаров.

• В военных целях ШМ могут быть использованы для поиска и обезвреживания мин, для транспортировки боеприпасов, постановки дымовой завесы. Прорабатываются возможности для использования шагающих движителей для пусковых установок тактических ракет в районах со сложным рельефом местности.

• Высокая грунтовая проходимость и более слабые по сравнению с колесным и гусеничным транспортом разрушения почвы позволяют использовать ШМ при их движении по слабым грунтам и легкоразрушаемому почвенному покрову в тундре, пустынях и полупустынях, в лесу и в горах. В настоящее время разработаны опытные образцы шагающих машин для лесозаготовительных работ [36].

• Шагающие машины могут оказаться незаменимыми при ликвидации последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, ураганы, и т. д.) или катастроф техногенного характера. Они могут производить разборку разрушенных зданий, проводить спасательные работы, поиск и транспортировку раненых, проводить радиационную разведку, сбор образцов и т. д.

• Высокая маневренность и возможности адаптации определяют целесообразность использования ШМ в помещениях, приспособленных 8 для человека (лестницы узкие коридоры, повороты на 90 градусов, дверные проёмы).

Резюмируя всё выше перечисленное можно сделать вывод о том, что постоянный рост отраслей промышленности с опасными условиями труда, недоступных для человека и традиционных транспортных средств, всё более жёсткие требования к охране окружающей среды делает очевидным перспективу широкого развития ШМ.

Основные особенности проектирования приводов для ШМ. Одной из основных задач при создании ШМ является выбор и разработка приводов ног. В настоящее время на ШМ используются все типы приводов, которые на сегодняшний день применяются в технике: гидравлические, пневматические и электрические. При выборе типа привода для шагающей машины исходят из нескольких условий:

1. Назначение ШМ.

2. Автономность машины, т.е. где будет находиться источник энергии, система управления, оператор (на машине или нет).

3. Оборудование, которое будет установлено на машине (манипулятор, кран, различного рода датчики и т. д.).

Шагающие машины небольших размеров, предназначенные для инспекционных целей в условиях, ограниченного пространства имеют небольшую массу, внешний источник питания, несут на себе либо видеокамеру, либо какой-нибудь датчик. Такие ШМ, как правило, имеют электрический привод с электродвигателями постоянного или переменного тока, которые способны обеспечить движение таких аппаратов.

Электромеханический привод ШМ на двигателях постоянного тока наиболее освоен к настоящему времени. Он наиболее удобен для ШМ небольших размеров с точки зрения простоты реализации и обслуживания. Его недостатком является необходимость применения редуктора для обеспечения медленных движений ног при больших нагрузках. Наличие 9 редукторов с большими передаточными числами (от 1000 до 6000) приводит к усложнению конструкции и приводит к снижению грузоподъемности ШМ.

Автономные же машины, несущие на себе источник энергии, оператора, тяжёлое технологическое оборудование, предназначенное для проведения грузоподъёмных, монтажных, транспортных работ, должны иметь гидравлический привод.

Гидравлический привод, по сравнению с электрическим и пневматическим приводами, имеет ряд существенных преимуществ, а именно:

1. Большая удельная мощность (отношение мощности к массе), что делает возможным получение больших усилий и мощностей при ограниченных размерах гидродвигателей.

2. Высокие динамические характеристики (быстродействие, время разгона и торможения исполнительного механизма обычно не превосходит нескольких сотых долей секунды).

3. Высокая точность регулирования.

4. Гидроприводы обеспечивают широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости.

5. Применение гидроцилиндров позволяет получить прямолинейное движение без кинематических преобразователей.

Современный уровень развития технологии не позволяет электроприводу обеспечить такие же динамические характеристики, как у гидропривода. Поэтому в уже известных автономных машинах, несущих на себе оператора и источник энергии используется гидропривод.

Наиболее известные из ШМ, использующих гидравлические системы управления:

1. Шестигногая шагающая машина Сазерленда [33].

10

2. Adaptive Suspension Vehicle (ASV). Она была разработана в Университете штата Огайо (США) для передвижения по пересеченной местности [30-32].

3. Walking Harvester. Она разработана и построена фирмой Plustech (Финляндия) для лесозаготовительных работ [36];

4. ITTM Mecant - разработана и построена в Университете города Тампере (Финляндия) [37- 39].

Шагающая машина И. Сазерленда [33]. Все компоненты машины смонтированы на раме, состоящей из сваренных вместе труб квадратного сечения. Движение машины обеспечивается гидроприводом, состоящим из четырёх насосов с регулируемой подачей, приводимыми в движение бензиновым двигателем мощностью 18 л.с. (13 кВт). Скорость и направление рабочей жидкости через каждый из этих насосов может регулироваться путём изменения положения управляющего рычага насоса, а ручка управления водителя и две ножные педали присоединены непосредственно к этим рычагам, определяя их подачу и таким образом, расход рабочей жидкости и скорость движения ног. Для управления линейной скоростью и скоростью поворота используют ручку, для управления скоростью подъёма ног - правую педаль, для управления движением коленного шарнира - левой педалью.

Adaptive Suspension Vehicle (ASV) [30-32]. Масса ШМ - 3200кг, грузоподъёмность 225кг, длина корпуса - 5.2 м, высота 3.3 м, ширина колеи 1.5м, максимальная скорость движения - 8 км/ч (рис. В 1а, В16).

Система управления реализована на 15 микро-ЭВМ, из них 10 микроЭВМ обеспечивают управление движением аппарата. Кинематическая конфигурация ASV включает в себя шесть ног с тремя степенями свободы каждая, расположенных симметрично вдоль главной рамы. Они представляют собой плоский пантографный механизм. Каждая нога крепится к раме при помощи горизонтальной петли параллельной

11 продольной оси машины, тем самым, обеспечивая третью степень свободы. Две другие степени свободы сделаны прямолинейными и взаимно перпендикулярными при помощи перпендикулярных роликовых направляющих, в которых закреплен ножной механизм (рис. В1в). Направляющие расположены так, для того чтобы ступня могла передвигаться вертикально или горизонтально по отношению к главной оси рамы независимо от положения последней.

Независимый привод для боковой степени свободы движет ступню по круговой траектории, пересекающей главную ось машины (рис. В16).

Система приводов. Восемнадцать независимых гидроприводов обеспечивают ASV три степени свободы для каждой ноги. Каждый привод состоит из гидравлического цилиндра или пары параллельных цилиндров непосредственно соединенных с насосом переменной производительности (рис. В1г). Таким образом, скорость цилиндров зависит от подачи насоса. Подача насоса определяется углом наклона между опорной шайбой и осью вращения блока цилиндров.

Угловое положение шайбы и, следовательно, подача каждого насоса регулируется при помощи гидравлического привода, который в свою очередь управляется расположенным непосредственно на нём двухпозиционным сервоклапаном (распределителем).

Вертикальный гидропривод состоит из пары параллельных гидроцилиндров с зафиксированными штоками, которые рассчитаны на максимальное усилие 96 кН при давлении 34 МПа. Максимальная скорость перемещения 0.67 м/с. Насос переменной производительности имеет максимальную подачу 1.83 л/с и давление 21 МПа.

Горизонтальный гидропривод состоит также из пары параллельных гидроцилиндров с зафиксированными штоками. Они способны преодолевать максимальную нагрузку 52 кН при давлении 34 МПа. Максимальная скорость перемещения гидроцилиндра может составлять

12

1.24 м/с. Насос горизонтального гидропривода имеет такие же характеристики, как и в вертикальном гидроприводе.

Гидропривод бокового движения ноги состоит из одного гидроцилиндра с зафиксированным штоком. Максимальная нагрузка на гидроцилиндр может составлять 36 кН при давлении 34 МПа. Максимальная скорость может достигать 1.1 м/с. Насос переменной производительности имеет максимальную подачу 1.07 л/с и максимальное давление 21 МПа.

Двигатель. Основным источником всей энергии, расходуемой ASV при движении, является четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания объёмом 0.9л, с воздушным охлаждением и ручной пятиступенчатой коробкой передач. Двигатель был разработан и построен фирмой Kawasaki для использования на мотоцикле. Максимальная мощность составляет 70 л/с.

Распределение энергии и описание трансмиссии. Все 18 насосов, использующихся в гидроприводах, одинаково расположены по всей машине. По два насоса находится в каждом ножном отсеке и шесть вдоль нижней части рамы. Эта система также включает три полых трубчатых вала. Каждый вал приводит во вращение шесть насосов (рис. В1е). Валы, которые вращают насосы гидроприводов ног, соосны с боковыми петлями ног на каждой стороне машины. Шесть насосов, расположенных на раме приводятся в движение от третьего вала, который проходит вдоль нижней части машины между насосами. Каждый вал имеет четыре станции привода зубчатых ремней, одну входную и три выходных. Два насоса вращаются от каждой станции. Двигатель соединен с главным валом через зубчатый ремень и муфту. Ремень позволяет расположить двигатель по центру для равномерного распределения веса, а муфта предохраняет двигатель от перегрузки.

13

Walking harvester [36]. ШМ Walking harvester (рис.В2) разработана и построена финской фирмой Plustech, занимающейся производством машин и оборудования для лесной промышленности. Машина представляет собой шестиногую шагающую платформу, на которой установлен манипулятор для пилки и транспортировки деревьев. На платформе также смонтированы кабина оператора, дизельный двигатель, гидроприводы всех ног и система управления. Вес машины 3500 кг, длина 3.5 м, ширина 2.0 м, высота 3.0 м. Шагающая машина способна передвигаться по пересеченной местности, в частности по лесу, вперед, назад, по диагонали, автоматически приспосабливаясь к неровностям почвы и преодолевать препятствия. Максимальная скорость движения 1м/с (3.6 км/ч). В зависимости от степени неровности местности, оператор может регулировать высоту поднятия ноги при каждом шаге и угол наклона корпуса машины по отношению к земле.

Нога машины имеет пантографную конструкцию с тремя активными степенями свободы. Каждая степень свободы управляется гидроприводом.

Система управления машины представляет собой компьютерную систему, которая контролирует все параметры шага, включая направление движения, скорость движения высоту шага, тип походки, крен. Для оптимизации работы машины контрольно-измерительная система регулирует параметры нагрузки и режим работы двигателя. В машине сосредоточено 60 датчиков и более 10 микропроцессоров. Все функции по управлению машиной выполняются оператором при помощи джойстика.

В настоящее время фирма Plustech разработала новую модель шагающей машины для лесозаготовительных работ, которая уже предназначена для коммерческого использования в промышленности. Также фирма производит обучение операторов подобных ШМ на специально разработанных тренажёрах.

Шагающая машина Mecant [37-39]. Mecant - это полностью автономная шестиногая шагающая гидравлическая машина (рис.ВЗ).

14

Вес машины составляет 1100 кг, длина 2.1м, ширина 2.4м, высота 1.6м. Максимальная скорость 0.5 м/с (1.8 км/ч). Источником энергии служит сверхлегкий самолетный двухцилиндровый двигатель с воздушным охлаждением мощностью 36 кВт.

Нога машины представляет собой пантографный механизм, имеющий две степени свободы, который в свою очередь может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Таким образом, каждая нога имеет три степени свободы, управляемых при помощи гидропривода.

Оператор управляет машины дистанционно, при помощи джойстика с радиоуправлением. Система управления состоит из компьютерной сети, объединяющей 7 бортовых миникомпьютеров, работающих в режиме реального времени и датчиков контроля положения ног и корпуса.

Двуногие шагающие роботы (ДШР). В 1990г. на кафедре гидравлики гидромашин и гидропневмоавтоматики МГТУ им. Н.Э.Баумана создан первый образец ДШР (рис.В4). Исполнительный механизм состоит из платформы и прикреплённых к ней пятистепенных ног. Каждая степень подвижности оснащена электрогидравлическим приводом, состоящим из гидроцилиндра и электрогидравлического усилителя сопло-заслонка-золотник и цифровым датчиком угла. Стопы робота снабжены шестикомпонентными силомоментными датчиками. Питание гидравлической системы производится от внешней насосной станции по гибким трубопроводам [5].

В настоящее время ведётся работа по созданию второго двуногого шагающего робота, который должен уметь перемещаться в режиме динамической ходьбы рис.В5. Он имеет 12 управляемых степеней подвижности, оснащенных электрогидравлическими следящими приводами. В качестве датчиков обратной связи по углам используются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы. Стопы робота снабжены шестикомпонентными силомоментными датчиками. Система

15 ориентации робота состоит из гировертикали, трёх датчиков угловых скоростей и акселерометров [7,8].

В 1990г. в МГТУ им. Н.Э.Баумана создан экспериментальный образец роботизированного манекена предназначенного для испытания защитной одежды на герметичность в специальных испытательных камерах, где создаётся агрессивная среда. Разработанный манекен представляет собой комплекс рис. В6, включающий в себя антропоморфный исполнительный механизм, управляемый электрогидравлическими следящими приводами, насосную станцию и систему управления.

Манекен с надетой на него одеждой может быть помещён в испытательную камеру и при воздействии агрессивной среды выполнит серию испытательных движений, запрограммированных с помощью системы управления. Насосная станция находится вне испытательной камеры и по трубопроводам подаёт рабочую жидкость к гидроприводам манекена [6].

Проектируемая шестиногая шагающая машина. Целью данной работы является выбор гидравлической системы управления (ГСУ) шагающей машины, способной выполнять транспортные, грузоподъёмные и монтажные операции на сложной местности. Общий вид машины приведен на рис. В7.

Характеристики шагающей машины: Вес без груза - 9000 кг, полезный груз - 1000 кг, длина -7.5 м, ширина - 3.6 м, высота - 3.8 м, высота преодолеваемых препятствий - до 1.5 м, максимальная скорость -0.6 м/сек. Возможность движения по склону (косогору) с уклоном до 30°. Возможность движения по затопленной местности с глубиной до 1.5 м и скорости воды до 0.2 м/сек.

Корпус машины представляет собой рамную конструкцию. Внутри корпуса располагается дизельный двигатель, трансмиссия, элементы СУ, гидроаппаратура. Сверху устанавливаются кабина оператора, кран

16 манипулятор и грузовая площадка. К корпусу крепятся шесть одинаковых инсектоморфных ног, каждая из которых имеет три степени подвижности.

Общая постановка задачи. Цель работы. Цель работы заключается в разработке алгоритмов, методов и комплекса программ для исследования динамических и энергетических характеристик гидравлической системы управления ШМ. При этом одной из основных задач, в виду ограниченной мощности приводного двигателя, расположенного на ШМ, является выбор гидросхемы, которая будет удовлетворять динамическим и энергетическим требованиям. Среди всех типов гидроприводов необходимо выбрать наиболее подходящий с точки зрения динамических характеристик и энергетической эффективности. Результаты проведённых ранее исследований показывают, что условия работы предъявляют к ГСУ ШМ высокие требования. Приводы ШМ должны развивать значительные усилия, скорости перемещения и при этом иметь приемлемые энергетические характеристики.

Проведенные исследования и изучение имеющихся материалов говорят об уникальности решаемой проблемы во многих аспектах и, особенно, по части гидравлической системы управления. Это в частности связано с тем, что привод ШМ должен отрабатывать требуемые движения на двух участках движения ноги: опоры и переноса. Причём участок опорного движения ноги характеризуется большими усилиями при относительно небольших скоростях перемещения рабочего органа, а участок переноса - малыми усилиями и большими скоростями.

Здесь следует напомнить, что существующие в настоящее время манипуляционные роботы имеют соотношение грузоподъемности и собственного веса 1:10 - 1:20. Ноги же шагающей машины (которые можно рассматривать как специализированные манипуляторы) должны обеспечивать перемещение не только собственного веса, но и веса автономного источника энергии, запаса топлива, системы управления и

17 полезной нагрузки. В связи с этим необходимо обеспечить максимально возможное облегчение конструкции машины за счёт использования легких и прочных материалов (алюминиевых и титановых сплавов, пластмасс и композиционных материалов). Необходим тщательный расчёт конструкции машины, позволяющий создавать конструкции с минимально необходимым запасом по прочности и по мощности приводов в шарнирах ног. Рациональный выбор мощности приводов позволит значительно снизить вес машины. Для шагающих машин важны достижения в области создания исполнительных сервоприводов с большой удельной мощностью (мощностью на единицу собственного веса).

Поэтому задача состоит в математическом моделировании выбранных вариантов ГСУ с целью определения динамических и энергетических характеристик, проведении анализа полученных результатов и выбор наилучшего.

Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения.

В первой главе приводятся особенности проектирования гидравлической системы управления для ШМ, даётся описание преимуществ и недостатков различных типов. Приводятся факторы, влияющие на выбор гидравлической системы для больших автономных ШМ. Здесь же приведены результаты анализа основных типов гидросистем с точки зрения их применения на ШМ.

В результате анализа характеристик основных типов гидросистем сделан вывод о целесообразности использования на ШМ гидросистем с объёмно-дроссельным регулированием и применения насоса с LS-управлением. Описаны преимущества и недостатки основных типов гидравлических систем управления (ГСУ) при использовании на ШМ, принцип действия ГСУ с насосом с LS-управлением, его преимущества.

Здесь также приведены нагрузки, действующие на исполнительные гидроцилиндры в шарнирах ноги, а также их скорости при движении ШМ «трёшками», полученные расчётным путем [4].

18

Рассмотрены возможные варианты регулирующей аппаратуры. Приведена принципиальная схема двухступенчатого распределителя с пропорциональным управлением и описан принцип его работы.

Дана структурная схема управления на примере гидросистемы одной степени свободы ноги. На ней показаны сигналы управления и обратные связи.

Рассмотрены возможные варианты гидросхем, компоновки, применение шести насосов, по каждому на одну ногу, или двух насосов, по одному на каждую «трёшку».

Во второй главе приведены математические модели элементов, входящих в ГСУ: насоса, двухкаскадного распределителя с пропорциональным управлением, гидроцилиндров, трубопроводов.

Приведены допущения, принятые при составлении математической модели и при моделировании, их обоснование.

Математическая модель насоса с LS-управлением включает в себя уравнения, описывающие работу LS-золотника, ограничителя давления, цилиндров управления. Также приведены математические модели распределителя с пропорциональным управлением, силового гидроцилиндра.

Даны математические модели нелинейностей, которые встречаются в ГСУ.

Составлена линейная математическая модель ГСУ, приведены допущения, принятые при её составлении.

В третьей главе приведено описание алгоритмического и программного комплекса, при помощи которого проводилось моделирование динамики ГСУ. Описана структура комплекса и приведен пример работы с ним.

Также приведено описание метода интегрирования системы дифференциальных уравнений Рунге-Кутта Мерсона, при помощи которого проводилось моделирование.

19

В четвёртой главе приведены результаты математического моделирования. Проведено обоснование адекватности составленных математических моделей реальным образцам тех компонентов, которые входят в ГСУ. Это обоснование заключалось в проведении математического моделирования ГСУ, и сравнение его результатов с данными, которые приведены в каталоге фирмы производителя насосов с LS-управлением. Сравнение этих результатов показало, что погрешность моделирования по разработанным моделям не превосходит 5%.

Приводятся результаты моделирования ГСУ одной ноги, включающей в себя ГСУ поворота стойки, бедра и голени. Проведён анализ полученных результатов и сделан вывод об эффективности предложенной ГСУ.

Даны энергетические характеристики ГСУ, к.п.д., мощность насоса для одной ноги, полученные в результате моделирования. Приведены результаты моделирования ГСУ, в которой один насос подаёт рабочую жидкость к гидроцилиндрам ног, принадлежащих одной «трёшке».

Построены логарифмические амплитудные и фазовые характеристики (JIAX, ЛФХ), определены запасы по амплитуде и фазе, приведены диаграммы Найквиста ГСУ каждой степени подвижности ноги.

Выполнен тепловой расчёт ГСУ, выбраны параметры теплообменника, поддерживающего необходимый тепловой режим ГСУ.

Приведены результаты расчёта массогабаритных характеристик ГСУ с LS-управлением. Кроме того, проведён сравнительный анализ массогабаритных характеристик ГСУ с LS-управлением и ГСУ с объёмным регулированием, которая применяется на ШМ ASV. Приведены различные варианты трансмиссии ШМ и сделан их анализ.

20

Заключение диссертации по теме «Теоретическая механика», Костюк, Александр Викторович

Заключение

1. Разработаны математические модели различной сложности (нелинейные и линеаризованные).

2. Создан программный комплекс для исследования динамики гидравлических систем управления шагающих машин.

3. Проведено математическое моделирование динамики нескольких схем гидросистем с объёмно-дроссельным регулированием с насосами переменной производительности с LS-управлением и проведён анализ результатов. По результатам моделирования были предложены несколько вариантов гидравлических систем управления. Показаны преимущества гидропривода с машинно-дроссельным регулированием в сравнении со схемами с объёмным способом регулирования, применявшимся в аналогичных машинах. Обоснована необходимость применения насоса с LS-управлением, а также распределителей с пропорциональным управлением. Предложена гидравлическая система управления, которая отслеживает заданный входной сигнал, пропорциональный требуемым скоростям перемещения исполнительных гидроцилиндров с достаточно высокой точностью и достаточно эффективная с точки зрения энергопотребления. Предложены варианты гидравлической системы управления с применением насоса с LS-управлением, которые позволяют использовать один насос для питания нескольких исполнительных гидроцилиндров, что приводит к значительному упрощению трансмиссии улучшению массогабаритных показателей машины. Предложены несколько вариантов трансмиссии.

4. Получены результаты моделирования для ГСУ степеней подвижности одной ноги для управляющих сигналов: ступенчатого и синусоидального.

5. Проведено сравнение массогабаритных показателей гидросистемы с объёмным регулированием, который используется на ШМ ASV, при

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Костюк, Александр Викторович, 2002 год

1. Охоцимский Д.Е., Платонов А.К., Кирильченко А.А., Лапшин В.В. Шагающие машины: Препринт ИПМ РАН им. М.В.Келдыша №87. М., 1989г. 36с.

2. Семёнов С.Е. Кинематический алгоритм управления движением двуного шагающего робота. // Вестник МГТУ Приборостроение, М: 1996г, №1. С. 105-115.

3. Семёнов С.Е. Бесплатформенная система ориентации шагающего робота. // Докл. «Пневмогидроавтоматика-99» Всероссийская конференция, М: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1999г.

4. Разинцев В.И. Повышение эффективности гидроприводов с дроссельным регулированием. М: Машиностроение, 1993г. 320с.95

5. Казмиренко В.Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения. М: Радио и связь, 2001г. 432с.

6. Фаронов В.В. Delphi 3, учебный курс. М: Нолидж, 1998г. 390с.

7. Гофман А., Хомоненко A. Delphi 5, руководство разработчика. Санкт-Петербург: БХВ, 1999г. 790с.

8. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. М: Мир, 1998г. 576с.

9. Borovin G.K. Computer Simulation of Hydraulic Control System of the Walking Machine. Proceedings 2nd Tampere Intern. Conf. on Machine Automat, ICMA'98, p.p. 179-192.

10. Боровин Г.К. Математическое моделирование гидравлической системы управления шагающей машины: Препринт ИПМ РАН им. М.В.Келдыша №106, М., 1995г. 28с.

11. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математические модели гидравлического привода с LS-управлением шагающей машины: Препринт ИПМ РАН им. М.В.Келдыша №56, М., 2000г. 28с.

12. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математическое моделирование гидравлического привода с LS-управлением шагающей машины: Препринт ИПМ РАН им. М.В.Келдыша №54, М., 2001г. 28с.

13. Боровин Г.К., Костюк А.В. Шагающие машины. // Тезисы докл. Научно-техн. конф. "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, декабрь 1999г., с.с. 7-8.

14. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математическое моделирование систем управления шагающих машин. // Тезисы докл. Научно-техн. конф. "Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", М: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999г. с.с. 8-9.

15. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математическое моделирование гидросистемы шагающей машины. // Материалы 11-ой Научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», С-Петербург: Изд-во СПбГТУ, 2001г. с.с. 96-106.96

16. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математическое моделирование гидравлической системы управления шагающей машины. // Труды научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», Москва, МГУ, декабрь 2001г., 15с.

17. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математическое моделирование гидравлической системы управления шагающей машины. // Теория и системы управления. 2002г., №4.

18. Боровин Г.К., Костюк А.В. Моделирование динамики гидропривода ноги шагающей машины: Препринт ИПМ РАН им. М.В.Келдыша №8, М., 2002г. 28с.

19. Боровин Г.К., Попов Д.Н., Хван B.JI. Математическое моделирование и оптимизация гидросистем. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1995г. 83с.

20. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1989г. 301с.

21. Попов Д.Н., Ермаков С.А., Лобода И.Н. и др. Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978г. 142с.

22. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1987г. 464с.

23. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1990г. 607с.

24. Свешников В.К. Станочные гидроприводы. М.: Машиностроение 1995г. 448с.

25. Waldron K.J., Vohnout V.J., Pery A., Mcghee R.B. Configuration design of the adaptive suspension vehicle. International journal of robotics research. 1984, №2.

26. Pugh D.R., Ribble E.A., Vohnout V.J., Bihari Т.Е., Walliser T.M., Patterson M.R., Waldron KJ. Techical descripshion of the adaptive suspension vehicle. // International journal of robotics research, MIT Press, 1990, №2, 24-42.97

27. Nair S.S., Singh R., Waldron K.J., Vohnout V.J. Power system of a multi-legged walking robot. // Robotics and autonomous systems, 1992, №9, p.p. 149-163.

28. Sutherland I.E., Uliner M.C. Footprints in the asphalt. // International journal of robotics research, MIT Press, 1984, №2.

29. Manessmann Rexroth, Brueninghaus Hydromatik. "Product Catalogue Axial Piston Units", Horb, Germany, 1997.

30. Robert Bosch Fluid Power Corporation. "Proportional Valves NG 10.50", Racine, Wisconsin, 1999.36. www.plustech.fi.37. www.automation.hut.fi.

31. Lehtinen, H. Force control of a hydraulic walking machine. IF AC Workshop on trends in hydraulic and pneumatic components and systems, Chicago, 1994. Chicago 1994, American Society of Mechanical Engineers, p.p. 15-15.

32. Leppanen I., Halme A., Lehtinen H. Control of the hydraulic system of a walking machine Mecant. // Scandinavian International Conference on Fluid Power, Tampere, 1995, Tampere University of Technology, Tampere, 1995, p.p. 190-203.

33. Johnson O. Load-sensing systems control speed accurately. Hydraulics & Pneumatics, March 1995, p.p. 33-36.

34. Mollo J.R. Load-sensing pumps: has their time come? Hydraulics & Pneumatics, May, 1990, p.p. 57-60.

35. Weber R.T. Controlling pumps for performance, efficiency. Hydraulics & Pneumatics, May 1994, p.p. 39-41.

36. Sculthorpe H. Hydraulic horsepower comes out of its corner. Hydraulics & Pneumatics, March 1989. p.p. 88-90.98