ред. С. Н. Кожевникова. М.: Машиностроение, 1976. 784 с.

6. Крайнев А. Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1987. 560 с.

7. Решетов Л. И. Самоустанавливаюшие-ся механизмы: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 272 с.

8. Getriebetechik - Leitfadeo. Herausgegeben von J. Volter 2. Aufl., Berlin: VEF Veilag Technik, 1978. 383 S.

9. S. Hildebrand. Feinmechanische Bauele-mente 4 Aufl. BerUn: VEF Verlag Technik, 1980. 747 S.

Глава 11

ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМОВ ШАГАЮЩЕГО ТИПА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ В НЕТРАДИЦИОННОМ ТРАНСПОРТЕ

Спецификой шагаюшего транспортного средства является то, что его опора не постоянно находится на земле, как это имеет место, например, у колесных машин, а только часть времени. В цикле работы движителя вьщеляют две характерные фазы: опоры и переноса. Такая организация работы движителя порождает, по крайней мере, две проблемы: выбор числа ног шагающей машины и согласование фаз работы и последовательности работы ног (аллюр) у разных движителей (выбор походки). Число ног шагающей системы зависит от длительностей опорной фазы и фазы переноса движителей и от заданного минимального числа ног, которое должно оставаться в опоре. Соотношение длительностей фаз оценивается коэффициентом режима ходьбы

Y =оп/(оп +пер) где и /пер - длительности фаз соответственно опоры и переноса.

При ходьбе машины, имеющей Лног, на земле в разные моменты ходьбы будет разное число опорных ног, но можно добиться, гго это число будет не менее yTV . Отсюда, например, следует, что если создается шагающая система, постойнно находящаяся в режиме статического равновесия при наличии в опоре не менее трех ног, то при коэффициенте режима ходьбы каждой ноги, равном 0,5 (одинаковые длительности фаз опоры и переноса), получим, что машина должна иметь не менее шести ног.

Однако это только необходимый признак. Неудачным согласованием фаз работы

статическое равновесие может не сохраниться. Для обеспечения устойчивого статического равновесия требуется не только наличие не менее трех ног на земле, но и такое расположение опорных точек на грунте относительно корпуса, при котором центр масс проектировался на землю внутри опорного многоугольника - многоугольника, проведенного по концам опорных ног.

Различают походки регулярные, когда длительность шагового цикла у каждой ноги одинаковая, и свободные. Регулярные походки можно определить набором 2N - 1 параметров {N коэффициентов режимов ходьбы у и N - \ параметров 5 , оценивающих сдвиг начала шагового цикла каждой из ног по отношению к началу цикла одной из ног). При одинаковом режиме ходьбы у всех ног число параметров, однозначно определяющих регулярную походку, составляет N.

Трудность выбора походки связана с их многочисленностью. При ходьбе ногами по одиночке имеется {N - 1)! возможных порядков работы ног. С учетом возможности ходьбы также парами, тройками и т.д. это число значительно возрастает. Расчеты показывают, что число таких последовательностей работы

= 1082 для N =6 и IV= 94585 для

N =S. Для ходьбы в статически устойчивом режиме число возможных походок чуть меньше W5cT = 1030, И8ст = 94493.

По аналогии с биомеханикой выделяют группу симметричных походок, в которых начало работы ног одного пояса (например передних, средних или задних) сдвинуто на 1/2 шагового цикпа. Различают также волновые походки, при которых сдвиг начала работы соседних ног одного борта машины у всех ног одинаков. Иногда среди волновых походок вьщеляют ползучие походки, отличающиеся тем, что сдвиг б соседних ног равен относительному времени переноса, т.е. 5 = 1 - у . Число симметричных походок существенно меньше полного их числа, для шестиногих

=24, из которых шесть возможны только

теоретически при у = 1.

При рассмотрении класса статически устойчивых походок и сравнении различных регулярных походок между собой по запасу статической устойчивости (минимальному за цикл ходьбы расстоянию от проекции центра тяжести машины до фаниц опорного многоугольника) вьшвлено, что при массе ног, существенно меньшей массы корпуса, симметричные походки имеют преимущество перед всеми остальными. При этом в подклассе шестиногих симметричных наибольшим запасом

устойчивости обладают волновые походки, а среди волновых - ползучие. Анализ показывает, что широко известная походка шестино-гих - трешки (синхронная работа передней и задней ног одного борта и средней ноги другого борта) обладает наихудшей устойчивостью по сравнению с другими походками с тем же коэффициентом режима ходьбы.

Как известно, симметричные волновые походки характерны для насекомых, восьми-ногие членистоногие также имеют волновую ходьбу. Однако по запасу устойчивости это не оптимальная походка. Увеличением задержки в началах работы средних ног одного борта для восьминогих механизмов шагающего типа по сравнению со сдвигом фаз 5 между крайними и средними ногами можно добиться увеличения запаса устойчивости. Так, при у =0,5 и

21 = 43 = 5з2 = 1/6 (индексы у 5 -

последовательные номера ног одного борта начиная с задней правой) запас устойчивости может быть

г = (2/3)/),

где D - расстояние между точками подвеса ног.

Наилучшая волновая походка с у =0,5 дает запас z = 0,5/) .

Еще большее различие наблюдается при увеличении числа ног. Изменением геометрических размеров машины при том же режиме ходьбы и фазовом сдвиге можно достичь некоторых преимуществ. Введя понятие размаха S - длины трека (трек - геометрическое место проекций опорной точки на корпус), можно связать длину трека с расстоянием между точками подвеса ног D и походкой для получения ходьбы след в след . Для волновых походок = /) (1 - у) / (1 - 6). При этом в одном следе некоторое время будут стоять одновременно две ноги. При = /) (1 - у) / (2 - 6) получается ходьба через след , так что в некоторые моменты цикла между соседними ногами одной стороны будет незанятый след, но одновременное стояние ног в одном следе не происходит. Рассмотренные особенности походок справедливы для шагающих машин с любыми движителями.

В настоящее время наметилось три основных подхода к созданию движителей: 1) движители с использованием замкнутых рычажных механизмов (рис. 11.1, а)\ 2) движители на основе управляемых открытых кинематических цепей (рис. 11.1, б)\ 3) ортогональные движители (рис. 11.1, в)

Задача движителя - обеспечение шагового цикла, т.е. воспроизведение относительной траектории 1 опорной точки, причем эта тра-

ектория имеет явно выраженную опорную часть и участок переноса. Относительная длительность опорной фазы, оцениваемая коэф-фициеьгтом режима у , оказывает влияние на

статическую устойчивость ходьбы, причем для увеличения последней величина у должна

возрастать. Наличие прямолинейного участка опорной части траектории порождает по крайней мере два полезных свойства движителя: при нахождении опорной точки на таком участке точка подвеса движется относительно уровня земли горизонтально и, следовательно, центр масс машины не поднимается, что не создает приводу дополнительной работы; при организации прямолинейного движения опорной точки путем использования прямолинейно направляющего механизма вертикальная реакция со стороны грунта на опорную точку механизма не передается на ведущее звено, т.е. таким образом механизм движителя на этом участке находится в режиме самоторможения.

Рис. 11.1. Примеры шагающих движителей:

а - стопоходящая машина конструкции П. Л. Чебышева; б - инсектоморфный движитель; в - ортогональный движитель

Особенностью кинематики движителей является требование одинаковости относительной скорости всех опорных точек, так как в противном случае неизбежно возникнут взаимные подвижки опорных точек, дополнительные эволюции горизонтального положения корпуса и проскальзывание ног по земле. При несинхронной работе ног, т.е. при работе со сдвигом фаз, что определяется выбранной походкой, это требование сводится к требованию постоянства скорости опорной точки на опорной фазе.

Каждый из трех перечисленных вьппе подходов к созданию движителей имеет свои преимущества и недостатки. Так, в методе использования рычажных механизмов для

движителей можно выделить три главных достоинства (рис. 11.1, а): простота организации шагового цикла; экономичность с точки зрения затрат энергии на поддержание машины; экономичность организации циклической работы движителя, при которой в отличие от других подходов накопленная кинетическая энергия одних звеньев не пропадает при их остановке внутри цикла, а переходит в кинетическую энергию других, связанных с ними звеньев. Описываемый подход имеет два принципиальных недостатка, сушественно сужаюших возможности применения механизмов в качестве движителей и связанных, главным образом, с жестким циклом механизма, в частности, с неизменностью положения траектории опорной точки движителя относительно корпуса. Во-первых, это невозможность варьирования точки постановки ноги на горизонтали, что может потребоваться по условиям местности, и, во-вторых, что наиболее сушественно, это невозможность варьирования вертикальным расположением опорной части траектории относительно корпуса, т.е. невозможность смещать возможную точку постановки ноги по вертикали.

Отсюда следует, что шагающие системы с движителями такого типа могут нормально перемещаться только по ровной поверхности. При попытке наступить на препятствие, расположенное вьпие уровня дороги, точка подвеса корпуса поднимается на высоту этого препятствия, поднимая центр масс корпуса. Этот подъем приводит к отрыву от поверхности части ног, уже стоящих на земле, и к дополнительной работе приводов. Одновременно с этим происходит вертикальный удар опорной точки движителя о грунт и горизонтальное скольжение (проскальзывание) опоры по грунту вследствие несовпадения горизонтальной проекции скорости опорной точки в момент касания ее препятствия со скоростью движения остальных (уже стоящих на земле) ног.

Прямые попытки изменить точку постановки ноги по вертикали путем перемещения воспроизводящей точки по шатуну, как правило, не приводят к успеху, так как у прямолинейно направляющих механизмов имеется только одна точка шатуна, которая воспроизводит прямую линию наилучшим образом. В ее окрестностях прямолинейность обьгшо резко ухудшается, хотя и известны несколько успешных решений задачи направленного синтеза прямолинейно направляющего механизма, воспроизводящего семейство параллельных прямых достаточной точности, однако скорость движения воспроизводящей точки на разных прямых семейства разная, чго требует дополнительной регулировки скорости кривошипа, чем собственно и обесценивается предложенное решение.

Шагающие машины с механическими движителями могут бьпъ эффективно использованы, например, при ходьбе по мягкому, но ровному грунту поля дождевальной машины или по выровненной поверхности карьера шагающего экскаватора, т.е. при ходьбе машин с мальп числом ног, статическое равновесие которых обеспечивается увеличенной поверхностью опор-лыж.

Значительно лучшим решением является применение в качестве движителя механизма с поступательно движущимся звеном, траектории точек которого тождественны траектории точки, воспроизводящей прямую линию. Поступательно движущееся звено можно организовать искусственно: добавить к прямолинейно направляющему механизму ряд механизмов - трансляторов, или провести синтез его непосредственно. Оба решения без особых усложнений позволяют решить проблему адаптации для увеличения профильной проходимости шагающих машин.

Преимущества второго подхода к проектированию движителей с использованием открытых кинематических цепей и независимым управлением по каждой степени свободы 1 - 3 отдельно для каждой ноги являются следствием, главным образом, гибкости управления (рис. 11.1, б). И хотя такие движители называют инсектоморфными и антроморфными, эти названия отражают только некоторую внешнюю схожесть ног машин с лапками насекомых и ног человека, так как ни по числу звеньев и пар, ни по виду используемых кинематических пар совпадения не наблюдается.

При таком подходе появляется возможность варьирования точки постановки ноги относительно корпуса и отработки практически любой относительной траектории опорной точки. Это существенно расширяет профильную проходимость шагающего аппарата и в принципе позволяет даже, например, ставить ноги выше точек подвеса, реализуя вариант лазающей машины. Выбор точек постановки ноги может осуществляться водителем или специализированным управляющим устройством. Однако следует иметь в виду, что при многоногих аппаратах человек, как правило, не в состоянии своевременно выбрать точки постановки каждой ноги, а при использовании автоматического устройства управления возникает проблема создания устройства сбора информации о местности, по крайней мере, в точках предполагаемой постановки ног.

Основные недостатки этого подхода связаны со следующим. Приводы открытой кинематической цепи дополнительно нагружены для удержания массы машины, и вертикальные реакции на опорные точки движителей порождают дополнительные силы или моменты во всех приводах движителя. Следствием этого является существенная дополнительная