Биологические науки/11. Биоинженерия и биоинформатика

Яцун С.Ф., Рукавицын А.Н., Бабин Д.А.

Юго-Западный государственный университет

Исследование динамики мобильного устройства с бионическими принципами организации движения

Разработка автономных мобильных устройств с бионическими принципами организации движения, например передвижение с помощью прыжков, основана на копировании движения некоторых животных и насекомых, способных медленно накапливать энергию в мышцах и затем, во время прыжка, быстро её высвобождать [1,2]. Интерес к мобильным устройствам, перемещающимся с отрывом от опорной поверхности, связан с тем, что такие объекты обладают возможностью передвигаться в условиях неровной или пересеченной местности, проходя препятствия которые невозможно преодолеть с помощью традиционных типов движителей (колесных, гусеничных и.т.п.).

На рис.1 представлена конструкция мобильного прыгающего робота с пружинным приводом, содержащим симметричный механизм взвода пружин, куда входят электродвигатель, редуктор и кулачки. Когда кулачки, завершая полный оборот, сжимают пружины и освобождают толкатель, то накопленная пружинами механическая энергия переходит в кинетическую энергию движения корпуса устройства. Используемый в конструкции электромеханический привод позволяет осуществить тактильное очувствление системы, т.е. определять следующие параметры процесса:

- момент времени, когда исполнительный орган начинает взаимодействовать с внешней средой;

- механические нагрузки на исполнительное звено: сопротивление среды, динамические нагрузки во время разгона или торможения при приземлении.

Кроме того, в некоторых случаях может наступить ситуация, в которой механические нагрузки будут превышать допустимый уровень. Поэтому эти устройства обеспечат информацию о предельных нагрузках.

Рис. 1. Схема миниробота для движения с отрывом от опорной поверхности

Дифференциальное уравнение движения центра масс прыгающего миниробота имеет вид [3,4]:

,

- где m – масса робота;

L – длина планок;

l – длина толкателя;

c – угловой коэффициент жесткости пружины;

b – длина прямолинейной части контура кулачка;

φ – угол поворота толкателя;

α – начальный угол между планками и опорной пластиной;

x – вертикальное перемещение робота.

Графики зависимостей вертикального перемещения (сплошная) и скорости (пунктир) центра масс прыгающего миниробота от времени при массе миниробота m=0,4кг приведены на рис. 2.

Рис. 2 Графики зависимостей вертикального перемещения (сплошная) и скорости (пунктир) центра масс прыгающего миниробота

На рис. 3 представлены графики вертикального перемещения центра масс миниробота при различной массе полезной нагрузки. Сплошной линией показано перемещение при массе робота m=0,4кг (без полезной нагрузки), пунктирной линией – при массе m=0,5кг (масса полезной нагрузки 0,1кг), прерывистой линией – при массе m=0,6кг(масса полезной нагрузки 0,2кг).

m=0,5

m=0,4

m=0,6

Рис3. Графики вертикального перемещения миниробота при различной массе полезной нагрузки

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что реализованный в конструкции мобильного миниробота бионический способ передвижения с отрывом от опорной поверхности, является достаточно эффективным при перемещении в условиях сложного рельефа местности.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список использованных источников

1. Яцун, С.Ф. Исследование движения прыгающего миниробота /С.Ф. Яцун, И.В. Лупехина, А.Н. Рукавицын// Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Серия: Технические науки №2, 2011.- С.3-9

2. Рукавицын, А.Н. К вопросу создания мобильного миниробота, движущегося с отрывом от опорной поверхности [Текст]:/А.Н. Рукавицын, Д.А. Бабин// Современные материалы, техника и технология: материалы Международной научно-практической конференции, Курск: ЮЗГУ, 2011.-С.186-292

3. Рукавицын, А.Н. Разработка алгоритма компьютерного моделирования движения мобильного миниробота, перемещающегося с отрывом от опорной поверхности [Текст]:/А.Н. Рукавицын, И.В. Лупехина// Известия Самарского научного центра РАН, 2011.-Т.13, №4(4).- C.1013-1018

4. Яцун, С.Ф. Исследование динамики управляемого прыжка робота [Текст]: / С.Ф. Яцун, Л.Ю. Волкова, А.Н. Рукавицын// Известия Самарского научного центра РАН, 2012.-Т.14, №4(5).- C.1355-1358