ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 69
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Создание автоматизированного робота-платформера высокой проходимости включает в себя следующие задачи: определение параметров эксплуатации: разработка ходовой части, обеспечивающей необходимые параметры проходимости, скорости и надежности; разработка системы управления ходовой частью. Понятие робот-платформер подразумевает под собой платформу, несущую полезную нагрузку, причем различную. Ввиду этого при разработке требуется обеспечение таких параметров как: модульность конструкции, взаимозаменяемость элементов. В условиях эксплуатации необходима высокая надежность изделия, быстрое техобслуживание. Для обеспечения требуемых параметров необходимо максимально упростить ходовую часть, сохранив высокую проходимость робота по недетерминированной местности. Существующие ходовые части, такие как: колесный привод, гусеничный привод, обеспечивают достаточные параметры проходимости и скорости, однако имеют основой массивные передаточные механизмы: подвеска, трансмиссия, сцепление, что в свою очередь ведет к значительному увеличению массы исходного продукта. Решить данную проблему помогают электроприводы, такие как мотор-колеса (Далее МК).Мотор-колесо было изобретено в конце XIX века, а его преимущества и недостатки описаны в патенте Чарльза Принцип работы МК состоит в следующем: создается крутящий момент за счет возникновения вращающегося магнитного поля в зафиксированном статоре, который взаимодействует с этим полем за счет магнитов -Терикома в 1896 году [3].В сущности, по своему устройству мотор-колесо представляет собой колесо с интегрированным бесколлекторным электродвигателем и системой рекуперативного торможения [1]. Существует два вида мотор-колес: МК прямого привода и редукторные МК. Несмотря на одинаковый принцип действия эти два типа МК сильно отличаются по своим характеристикам, главной из которых для нас является проходимость.. Статор напоминает своим видом многолучевую звездочку, изготавливаемую из электротехнической стали, с обмоткой. В момент подачи электрического импульса, создаваемого методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ сигнал) на обмотки лучи статора становятся магнитами, которые взаимодействуют с постоянными магнитами на роторе. Момент активации магнитов в статоре происходит за счет датчиков Холла, которые определяют относительно положение ротора и статора. В результате регистрации
магнитного поля датчики создают ШИМ сигнал, попадающий на контроллер. По этому сигналу контроллер подает импульсы на обмотку. За данный цикл происходит один оборот ротора.[2] Различия в устройстве редукторного МК и МК прямого привода состоит в следующем: для МК прямого привода ротором является ось колеса с обмотками, а статором – втулка колеса с постоянными магнитами. Такая схема по своему существу является классическим трехфазным двигателем переменного тока. В свою очередь у редукторного МК передаточная система является планетарной, что сильно влияет на его крутящий момент и компоновку.В вопросе обеспечения требуемых параметров мотор-колеса решают поставленные задачи, такие как упрощение ходовой части , обеспечение модульности конструкции, обеспечение быстрого техобслуживания следующим образом: так как мотор-колесо имеет встроенный электродвигатель, то каждое колесо имеет собственный привод, за счет чего пропадает необходимость внедрения рулевых и передаточных механизмов, тем самым упрощается ходовая часть; простое внутреннее устройство мотор-колеса обеспечивает неприхотливость технического обслуживания ходовой части; разнообразие мотор-колес позволяет быстро производить замену поврежденного колеса, либо заменить колесную базу на другую целиком за малый промежуток времени и без использования специальных инструментов. Созданная на основе мотор-колес ходовая часть позволяет использовать менее мощные мотор колеса для обеспечения идентичных тягловых и скоростных характеристик с обычными электроприводами, что в свою очередь ведет к меньшему энергопотреблению системы, а соответственно и к еще большему облегчению за счет менее массивных источников питания.Рис.1 – Устройство мотор-колесаСуществует два типа мотор-колес: редукторные МК и МК прямого привода. Эти два типа мотор-колес имеют значительные различия в устройстве. Редукторные МК содержат редуктор, как правило планетарный, обгонную муфту. МК прямого привода состоят из ротора и статора. Эти различия в устройстве определяют свойства мотор-колеса. Редукторные МК обладают следующими преимуществами: оптимальный КПД на всех скоростных диапазонах, низкое энергопотребление ввиду малой мощности, варьирующейся в пределах от 250 Вт до 600 Вт для
обеспечения стабильной работы двигателя, хороший накат, высокий крутящий момент при запуске ввиду наличия редуктора, малая масса колеса в диапазоне от 1.4 кг до 5 кг. Из недостатков следует отметить меньший ресурс ввиду наличия редуктора, шум, невысокая скорость в сравнении с МК прямого привода, отсутствие рекуперативного торможения. МК прямого привода обладают высокой скоростью передвижения по прямой траектории и сравнительно с редукторными МК, намного долговечнее при длительном использовании ввиду простоты конструкции, низкий уровень шума, наличие рекуперативного торможения. Недостатки МК прямого привода: большой вес колеса, низкие тягловые характеристики, эффективный КПД достигается в малом диапазоне скоростей [4].Рассмотренные свойства мотор колес различных позволяют сделать следующие выводы: для создания робота-платформера высокой проходимости целесообразно использовать мотор-колеса с редуктором. Этот тип МК позволяет достичь необходимых параметров проходимости, модульности, простоты технического обслуживания. Так как ходовая часть на основе мотор-колес включает в себя только мотор-колеса, рессоры и рычаги крепления колес, она значительно дешевле в сравнении с классическим колесным приводом. Управляемость обеспечивается за счет индивидуального привода на каждом колесе.Ниже приведен метод расчета параметров мотор-колеса для обеспечения необходимой скорости передвижения робота в скоростном режиме и тяговом режиме.Скоростной режимОсновное требование: обеспечение движения колеса со скоростью V с колесом радиуса
по горизонтальному участку дороги с коэффициентом сопротивления качению f и с полной загрузкой m (полная масса колес mш с оборудованием, плюс полезная нагрузка mг).На основании принятых допущений получим следующие расчетные параметры:
по горизонтальному участку дороги с коэффициентом сопротивления качению fи углом наклона α с полной загрузкой m (полная масса mш с оборудованием плюс полезная нагрузка mг).На основании принятых допущений получим следующие расчетные параметры:
Таб.1 Распределение тяговых моментов относительно распределения массДля определения действительного тягового момента необходимо отношение распределения моментов на оси умножить на потребный тяговый момент ;
магнитного поля датчики создают ШИМ сигнал, попадающий на контроллер. По этому сигналу контроллер подает импульсы на обмотку. За данный цикл происходит один оборот ротора.[2] Различия в устройстве редукторного МК и МК прямого привода состоит в следующем: для МК прямого привода ротором является ось колеса с обмотками, а статором – втулка колеса с постоянными магнитами. Такая схема по своему существу является классическим трехфазным двигателем переменного тока. В свою очередь у редукторного МК передаточная система является планетарной, что сильно влияет на его крутящий момент и компоновку.В вопросе обеспечения требуемых параметров мотор-колеса решают поставленные задачи, такие как упрощение ходовой части , обеспечение модульности конструкции, обеспечение быстрого техобслуживания следующим образом: так как мотор-колесо имеет встроенный электродвигатель, то каждое колесо имеет собственный привод, за счет чего пропадает необходимость внедрения рулевых и передаточных механизмов, тем самым упрощается ходовая часть; простое внутреннее устройство мотор-колеса обеспечивает неприхотливость технического обслуживания ходовой части; разнообразие мотор-колес позволяет быстро производить замену поврежденного колеса, либо заменить колесную базу на другую целиком за малый промежуток времени и без использования специальных инструментов. Созданная на основе мотор-колес ходовая часть позволяет использовать менее мощные мотор колеса для обеспечения идентичных тягловых и скоростных характеристик с обычными электроприводами, что в свою очередь ведет к меньшему энергопотреблению системы, а соответственно и к еще большему облегчению за счет менее массивных источников питания.Рис.1 – Устройство мотор-колесаСуществует два типа мотор-колес: редукторные МК и МК прямого привода. Эти два типа мотор-колес имеют значительные различия в устройстве. Редукторные МК содержат редуктор, как правило планетарный, обгонную муфту. МК прямого привода состоят из ротора и статора. Эти различия в устройстве определяют свойства мотор-колеса. Редукторные МК обладают следующими преимуществами: оптимальный КПД на всех скоростных диапазонах, низкое энергопотребление ввиду малой мощности, варьирующейся в пределах от 250 Вт до 600 Вт для
обеспечения стабильной работы двигателя, хороший накат, высокий крутящий момент при запуске ввиду наличия редуктора, малая масса колеса в диапазоне от 1.4 кг до 5 кг. Из недостатков следует отметить меньший ресурс ввиду наличия редуктора, шум, невысокая скорость в сравнении с МК прямого привода, отсутствие рекуперативного торможения. МК прямого привода обладают высокой скоростью передвижения по прямой траектории и сравнительно с редукторными МК, намного долговечнее при длительном использовании ввиду простоты конструкции, низкий уровень шума, наличие рекуперативного торможения. Недостатки МК прямого привода: большой вес колеса, низкие тягловые характеристики, эффективный КПД достигается в малом диапазоне скоростей [4].Рассмотренные свойства мотор колес различных позволяют сделать следующие выводы: для создания робота-платформера высокой проходимости целесообразно использовать мотор-колеса с редуктором. Этот тип МК позволяет достичь необходимых параметров проходимости, модульности, простоты технического обслуживания. Так как ходовая часть на основе мотор-колес включает в себя только мотор-колеса, рессоры и рычаги крепления колес, она значительно дешевле в сравнении с классическим колесным приводом. Управляемость обеспечивается за счет индивидуального привода на каждом колесе.Ниже приведен метод расчета параметров мотор-колеса для обеспечения необходимой скорости передвижения робота в скоростном режиме и тяговом режиме.Скоростной режимОсновное требование: обеспечение движения колеса со скоростью V с колесом радиуса
по горизонтальному участку дороги с коэффициентом сопротивления качению f и с полной загрузкой m (полная масса колес mш с оборудованием, плюс полезная нагрузка mг).На основании принятых допущений получим следующие расчетные параметры:-
частота вращения колес:
-
требуемая мощность мотор-колес на выбранном режиме (в пересчете на колесо необходимо разделить на количество тяговых колес):
по горизонтальному участку дороги с коэффициентом сопротивления качению fи углом наклона α с полной загрузкой m (полная масса mш с оборудованием плюс полезная нагрузка mг).На основании принятых допущений получим следующие расчетные параметры:-
частота вращения колес:
-
коэффициент сопротивления движению:
-
потребный тяговый момент (в пересчете на колесо необходимо разделить на количество тяговых колес):
| Распределение масс в % (первая цифра – передняя ось, вторая – задняя) | Распределение необходимых тяговых моментов в % (первая цифра  – передняя ось, вторая  – задняя) |
| 60:40 | 59:41 |
| 55:45 | 54:46 |
| 50:50 | 49:51 |
| 45:55 | 44:56 |
| 40:60 | 39:61 |
Таб.1 Распределение тяговых моментов относительно распределения массДля определения действительного тягового момента необходимо отношение распределения моментов на оси умножить на потребный тяговый момент ;
-
Требуемая мощность мотор-колес
-
Ишлинский А.Ю. Политехнический словарь – 3-е издание, переработанное и дополненное // М.: Советская энциклопедия, 1989, 317с. -
Кудишин И.В. «Энциклопедия техника» // М.: Росмэн,, 2011, 120 с. -
История изобретения мотор-колеса [Электронный ресурс]- URL: https://electropowerbikes.com/istoriya-izobreteniya-motor-kolesa/ (дата обращения 20.03.2022) -
Редукторные мотор-колеса [Электронный ресурс]- URL: https://www.electra.com.ua/otovarah/reduktornye-motor-kolesa.html (дата обращения 20.03.2022) -
Робофорум [Электронный ресурс] – URL: http://roboforum.ru/forum8/topic275.html (дата обращения 20.03.2022)