Разработка и создание робота высокой проходимости с управляемой балансирной подвеской

Введение

В настоящее время мобильная робототехника всё чаще работает в outdoor условиях, где высокая проходимость является основополагающим для успешного выполнения поставленной задачи. Наземные робототехнические платформы имеют самые различные конструкции, каждой из которых присущи свои достоинства и недостатки.

Анализ аналогов

Проанализировав конструкции роботов outdoor-типа, было выявлено, что все виды конструкций роботов имеют существенные недостатки. Гусеничные платформы, имеют низкую скорость, а также плохое сцепление на скользкой поверхности. Шагающие платформы сложны, медлительны и неустойчивы.

Колесные роботы лишены этих недостатков, однако их проходимость определяется гибкостью и правильной работой подвески. На сложном рельефе, с перепадами высот, хорошо показала себя колёсная платформа 6x6 с так называемой “балансирной подвеской”. Однако было замечено что данная конструкция подвески снижает маневренность робота, т.к. при поворотах и резком изменении скорости балансиры приходят в движение под действием высокого крутящего момента одного из колес, вследствие этого, противоположное колесо балансира отрывается от земли, что очень негативно сказывается на мобильности и управляемости платформы.

Разработка

За основу робота была взята полноприводная шестиколёсная платформа с передней подвеской балансирного типа. Компенсацию паразитного крутящего момента балансира будет осуществлять сервопривод (рис. 1), связанный с балансиром посредством тяг. Сервопривод будет фиксировать балансир в нужном положении, тем самым все колёса будут иметь сцепление с поверхностью и маневренность платформы не будет уступать аналогичным конструкциям формулы 6x6.

Рис. 1. Модель передней подвески

В программе Autodesk Inventor была смоделирована конструкция робота на основе которой построена платформа (рис.2).

Робот имеет модульную конструкцию. В качестве рамы выступили два алюминиевых профиля 10х20 мм, соединённых шпилькой М10, выступающей в роли оси балансира. К раме посредством болтового соединения крепится защитный каркас, задняя независимая подвеска, манипулятор и прочее. Балансир крепится к оси с помощью двух шарика-подшипников.

Рис. 2. Модель робота

Балансиры выполнены из двухмиллиметрового алюминия повышенной твердости, а фиксаторы двигателей и подшипников целиком напечатаны на 3D принтере.

Рычаг задней независимой подвески также изготовлен с использованием 3D печати. Демпфирование неровностей обеспечивается колесами с высоким профилем и сдвоенными масляными амортизаторами, расположенными горизонтально, для экономии пространства.

Каркас защищающий электронику выполнен из композитных материалов, с преобладанием легкого и прочного стеклопластика. Пластиковые элементы каркаса были разработаны в программе Autodesk Inventor с учетом моделирования различных ударных нагрузок (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Моделирование горизонтального удара

Рис. 4. Моделирование распределённой вертикальной нагрузки

Для увеличения функциональности роботизированной платформы, был установлен манипулятор, позволяющий производить захват различных предметов. Клешни приводятся в движение мотором-редуктором. Вертикальное вращение манипулятора осуществляется посредством сервопривода.

Рис. 5. Демонстрация возможностей манипулятора

Практика

Испытания показали, что возможность изменять геометрию платформы даёт большое преимущество на сложном рельефе, а жесткая фиксация балансиров в разы увеличивает маневренность робота на ровных поверхностях. Преодолеть ров без системы управление подвеской не представляется возможным. Фиксируя балансир в среднем положении, робот способен преодолеть ров шириной 15 сантиметров, при диаметре колес 10 см.

Рис. 6. Преодоление “рва” с отключённой системой управления подвеской

Рис. 7. Преодоление “рва” с системой управления подвеской

Буду рад ответить на ваши вопросы.