RU222422U1 - Устройство для исследования многозвенных транспортных систем - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к преобразуемым сочлененным транспортным средствам, способным перемещаться по твердым поверхностям. Технической задачей полезной модели, совпадающей с положительным результатом от ее применения, является возможность осуществлять движение устройства, как в прямом, так и в реверсном направлениях. Устройство состоит из эквивалентных по геометрическим параметрам тележек, последовательно механически и кинематически с помощью узлов сцепки объединенных в цепь. Каждая тележка представляет собой платформу, состоящую из полого корпуса, на нижней поверхности которого жестко закреплен узел сцепки, выполненный в виде проушины с отверстием, а на кронштейнах, закрепленных на нижней поверхности корпуса болтовым соединением, установлена колесная ось со свободно вращающимися колесами. Внутри корпуса закреплен сервопривод, выходной вал которого выведен через отверстие в нижней поверхности корпуса, при этом вал сервопривода выполнен с возможностью его посадки с натягом в отверстие проушины узла сцепки. На корпусе одной из платформ закреплены блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами, снабженный силовыми выходами, при этом блок управления многозвенной платформой электрически подключен к модулю управления сервоприводами, а силовые выходы последнего электрически подключены к сервоприводам платформ. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к преобразуемым сочлененным транспортным средствам, способным перемещаться по твердым поверхностям без использования приводов колес, и предназначена для исследования многозвенных транспортных систем, а также изучения алгоритмов управления ими.

Из уровня техники известна змееподобная конструкция многозвенного транспортного средства (RU 130916 U1, МПК B60F5/00, опубл. 10.08.2013), предназначенного для передвижения по различным поверхностям внутри труб или под водой. Корпус устройства образуют звенья, представляющие собой полый цилиндр. Сцепка звеньев устройства осуществляется через ось, шарнирно закрепленную через привод с соседними звеньями. Все звенья, или некоторые из них, могут быть снабжены колесными движителями.

Недостатком известного устройства является расположение осей поворота звеньев в центре звеньев, ограничивающих угол их поворота, а также сложность конструкции и приводов, обеспечивающих перемещение транспортного средства.

Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранным в качестве прототипа признан змееподобный мобильный робот (CN 106826788 A, МПК B25J 9/06, опубл. 13.06.2017). Робот содержит несколько колесных модулей, платформы которых соединены между собой через сервоприводы в сочленениях звеньев. Движение устройства осуществляется изменением углов поворота сервоприводов согласно синусоидальному закону без использования приводов колес, что обеспечивает простоту конструкции.

Недостатком устройства является отсутствие элементов подвески в его конструкции, что приводит к потере контакта колес при совершении поступательных движений.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей и обеспечение эффективности применения устройства при проведении исследований движения и изучения алгоритмов управления многозвенными транспортными системами.

Указанная задача решена тем, что устройство для исследования многозвенных транспортных систем, представляющее собой многозвенную платформу, состоит из эквивалентных по геометрическим параметрам тележек, последовательно механически и кинематически с помощью узлов сцепки объединенных в цепь. Каждая тележка представляет собой платформу, состоящую из полого корпуса, на нижней поверхности которого жестко закреплен узел сцепки, выполненный в виде проушины с отверстием, а на кронштейнах, закрепленных на нижней поверхности корпуса болтовым соединением, установлена колесная ось со свободно вращающимися колесами. Внутри корпуса закреплен сервопривод, выходной вал которого выведен из корпуса через отверстие в его нижней поверхности, при этом вал сервопривода выполнен возможностью его посадки с натягом в отверстие проушины узла сцепки. На корпусе одной из платформ закреплены блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами, снабженный силовыми выходами, при этом блок управления многозвенной платформой электрически подключен к модулю управления сервоприводами, а силовые выходы последнего электрически подключены к сервоприводам платформ.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является возможность осуществлять движение устройства, как в прямом, так и в реверсном направлениях, за счет использования в конструкции платформы механически и кинематически связанных с помощью узлов сцепки тележек, снабженных сервоприводами.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен внешний вид устройства сверху в изометрической проекции; фиг. 2 представлен внешний вид устройства снизу в изометрической проекции; на фиг. 3 представлен внешний вид одной из тележек платформы.

Устройство для исследования многозвенных транспортных систем, представляющее собой мобильную многозвенную платформу имеет следующую конструкцию.

Платформа состоит, по крайней мере, из трех эквивалентных по геометрическим параметрам тележек (звеньев), последовательно механически и кинематически с помощью узлов сцепки объединенных в цепь. Каждая тележка представляет собой платформу, состоящую из полого корпуса 1, на нижней поверхности которого жестко закреплен узел сцепки, выполненный в виде проушины 2 с отверстием 3, а на кронштейнах 4, закрепленных на нижней поверхности корпуса болтовым соединением, установлена колесная ось 5 со свободно вращающимися колесами 6. Внутри корпуса 1 закреплен сервопривод 7, выполненный на основе шагового двигателя, выходной вал 8 которого выведен из корпуса 1 через отверстие 9 в его нижней поверхности, при этом вал 8 сервопривода выполнен с возможностью его посадки с натягом в отверстие 3 проушины 2 узла сцепки.

На корпусе одной из платформ, например на платформе первой тележки, закреплены блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами, снабженный силовыми выходами, при этом блок управления многозвенной платформой электрически подключен к модулю управления сервоприводами с помощью USB-интерфейса, а силовые выходы последнего электрически подключены к сервоприводам платформ.

Блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами выполнены на основе тридцатидвухразрядных микроконтроллеров и снабжены USB-контроллерами, при этом микроконтроллер блока управления выполнен со встроенным Wi-Fi- интерфейсом, а микроконтроллер модуля управления сервоприводами содержит, по крайней мере, 22 программируемых двунаправленных линий ввода-вывода, подключенных к силовым выходам модуля.

Блок управления многозвенной платформой может быть выполнен на основе микроконтроллера ESP8266, модуль управления сервоприводами может быть выполнен на основе микроконтроллера STM32L432, а силовые выходы модуля могут представлять собой пары Дарлингтона, реализованные в виде микросборки ULN2003.

Устройство для исследования многозвенных транспортных систем работает следующим образом.

Первоначально его собирают, устанавливая вал 8 сервопривода 7 предыдущей тележки (звена) в отверстие 3 проушины 2 узла сцепки последующей тележки (звена) в цепи: на фиг. 1 и фиг. 2 приведен пример реализации устройства в виде трехзвенного транспортного средства. После осуществления сборки на корпусе одной из тележек закрепляют блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами. Далее блок управления платформой подключают USB-кабелем к модулю управления сервоприводами, силовые выходы которого с помощью кабелей подключают к сервоприводам тележек. После выполнения указанных операций устройство готово к работе.

Управление многозвенной устройством осуществляют удаленно, при этом блок управления реализует верхний уровень системы управления платформой-роботом. Для этого блок управления, который может представлять собой отладочную плату WeMos D1 mini на основе микроконтроллера ESP8266, при включении автоматически запускает локальный web-сервер и создает точку доступа, через которую оператор с помощью планшета или мобильного телефона через беспроводное Wi-Fi соединение подключается к web-серверу и получает доступ к html-странице приложения для управления мобильным роботом.

Управляющие команды передаются оператором платформе в терминальном режиме с помощью интерфейса приложения, путем передачи параметров управляющих воздействий на сервоприводы или загрузки в память блока управления заранее подготовленной программы движения устройства.

Полученные параметры управляющих воздействий на сервоприводы принимаются блоком управления платформой и обрабатываются с формированием последовательности управляющих воздействий на двигатели сервоприводов. Далее по USB-интерфейсу последовательности управляющих воздействий передаются модулю управления сервоприводами, который может представлять собой отладочную плату STM32L432KC Nucleo, реализующую средний уровень системы управления платформой-роботом.

Модуль управления сервоприводами на основе полученных последовательностей управляющих воздействий формирует последовательность дискретных сигналов и передает их с помощью силовых выводов на сервоприводы тележек, реализующих низкий уровень системы управления платформой-роботом. В случае выполнения сервоприводов на основе шаговых двигателей дискретные сигналы могут представлять собой прямоугольные импульсы с различным периодом и скважностью, подаваемые последовательно на обмотки двигателей, что позволяет реализовать алгоритм управления «бегущая единица» и обеспечить вращение валов роторов двигателей, как по часовой, так и против часовой стрелки.

Движение многозвенной платформы осуществляется следующим образом.

Рассматривая каждую из пар тележек в цепи, первую из них можно назвать ведущей, а вторую - ведомой, при этом вал сервопривода ведущей тележки установлен в отверстии сцепного устройства ведомой тележки с натягом, за счет чего при вращении вала сервопривода ведущей тележки ведомая тележка поворачивается по часовой или против часовой стрелки вокруг оси отверстия сцепного устройства, в зависимости от направления вращения вала сервопривода ведущей тележки. Одновременное управление сервоприводами всех тележек (звеньев) позволяет осуществить изменение их ориентации относительно друг друга в пространстве, что на практике обеспечивает возможность реализовать различные алгоритмы управления устройством.

Например, для поступательного движения платформы необходимо осуществлять периодические колебания валов сервоприводов тележек с некоторой задержкой управления одним сервоприводом, относительно другого. Направление движения мобильной платформы определяется очередностью совершения колебательных движений: если последующий сервопривод отстает по фазе колебаний от предыдущего, то мобильный робот движется вперед, если опережает - то назад. При этом свободно вращающиеся колеса тележек при движении платформы играют роль опор, свободно скользящих по поверхности.

Таким образом, описанное в настоящей заявке техническое решение является конфигурируемым устройством, представляющим собой мобильную многозвенную платформу с относительно простой конструкцией, которое может эффективно использоваться при проведении исследований и оптимизации алгоритмов управления движения роботами, выполненными из сочлененных подвижных сегментов по схеме «змея-робот».

Claims (6)

1. Устройство для исследования многозвенных транспортных систем, представляющее собой многозвенную платформу, содержащее эквивалентные по геометрическим параметрам тележки, последовательно механически и кинематически с помощью узлов сцепки объединенные в цепь, отличающееся тем, что каждая тележка представляет собой платформу, состоящую из полого корпуса, на нижней поверхности которого жестко закреплен узел сцепки, выполненный в виде проушины с отверстием, а на кронштейнах, закрепленных на нижней поверхности корпуса болтовым соединением, установлена колесная ось со свободно вращающимися колесами; внутри корпуса закреплен сервопривод, выходной вал которого выведен из корпуса через отверстие в его нижней поверхности, при этом вал сервопривода выполнен с возможностью его посадки с натягом в отверстие проушины узла сцепки; на корпусе одной из платформ закреплены блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами, снабженный силовыми выходами, при этом блок управления многозвенной платформой электрически подключен к модулю управления сервоприводами, а силовые выходы последнего электрически подключены к сервоприводам платформ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сервопривод выполнен на основе шагового двигателя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления многозвенной платформой и модуль управления сервоприводами выполнены на основе тридцатидвухразрядных микроконтроллеров и снабжены USB-контроллерами.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок управления многозвенной платформой электрически подключен к модулю управления сервоприводами с помощью USB-интерфейса.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что микроконтроллер блока управления выполнен со встроенным Wi-Fi-интерфейсом, а микроконтроллер модуля управления сервоприводами содержит, по крайней мере, двадцать две программируемые двунаправленные линии ввода-вывода, подключенные к силовым выходам модуля.

6. Устройство по любому из пп.1, 5, отличающееся тем, что силовые выходы модуля управления сервоприводами представляют собой пары Дарлингтона.