РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АНТРОПОМОРФНЫМ РОБОТОМ КОСМОНАВТОМ

DEVELOPMENT OF CONTROL SYSTEM ELEMENTS FOR AN ANTHROPOMORPHIC ROBOT ASTRONAUT

Maxim Martynov

schoolboy, student of Director of the Center for Youth Innovative Creativity "Perspektiva",

Russia, Kurganinsk

Kirill Sergeyevich Popko

scientific supervisor, Radiophysics engineer, Master of Radiophysics, Director of the Center for Youth Innovative Creativity "Perspektiva",

Russia, Kurganinsk

АННОТАЦИЯ

Объектом исследований выступает – робот андроид. Предметом исследования выступает система управления приводами робота андроида. Цель работы –  разработать подвижные элементы для сборки робота андроида и отправки его на МКС.  В рамках эмпирических методов исследований, были проведены эксперименты по определению силы сжатия ладони, грузоподъемности мотор-редукторов. В рамках теоретических методов исследований проведено математическое моделирование, которое позволило рассчитать центр масс, динамический и статические моменты сил электродвигателей, определены параметры и уравнения для решения прямой и обратной задач кинематики. Так же в рамках компьютерного моделирования были спроектированы узлы прототипа устройства, рассчитаны оптимальные конструктивные характеристики с точки зрения способов изготовления.

Проект развивается в рамках направлении НТИ: «Автонет».

Работа выполняется в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ: транспортные и космические системы.

ABSTRACT

The object of research is: an android robot. The subject of the study is: the control system of the android robot drives. The purpose of the work: to develop movable elements for assembling an android robot and sending it to the ISS. Within the framework of empirical research methods, experiments were conducted on the palm compression force and the operation of gearboxes. In theoretical research methods, mathematical modeling was carried out, which made it possible to calculate the center of mass, the moment of force to be applied to electric motors. Also, within the framework of theoretical modeling, the components and systems of the prototype device were designed to calculate the individual structural elements that are most optimal in terms of size and weight.

The project is being developed within the framework of the NTI direction: Autonet.

The work is carried out within the framework of a priority area for the development of science, technology and technology in the Russian Federation: transport and space systems.

Ключевые слова: планетарный редуктор, робот, андроид, космонавт, момент силы, шаговый двигатель, редуктор.

Keywords: planetary gear, robot, android, astronaut, moment of force.

В настоящее время сохраняется проблема, связанная с опасностью полета человека в космос: отсутствие атмосферы, критические температуры на орбите МКС и постоянная солнечная радиация. Экспертами предлагаются решения для проведения исследований дальнего космоса, объектов солнечной системы с помощью роботизированных комплексов человекоподобных типов. Собственно говоря, до сегодняшнего момента все объекты Солнечной системы изучаются с помощью автоматических межпланетных станций и роботизированных комплексов. В рамках данного проекта ставится задача создания лабораторного прототипа устройства в виде антропоморфного робота, с помощью которого будут испытываться конструктивные элементы и приводы будущего робота-космонавта [1].

Роботизированная рука – это тип механического манипулятора, обычно программируемой, с функциями аналогичными человеческой руке. Сегменты манипулятора имеют соединения, позволяющие совершать вращательные или поступательные движения. Роботизированная рука заканчивается либо захватным механизмом, либо каким-то рабочим инструментом.

Для разработки роботизированной руки необходимо провести тщательный анализ динамических характеристик системы [2]. Прежде всего, требуется рассчитать моменты сил, создаваемые приводами и редукторами, поскольку именно они обеспечивают движение элементов манипулятора (рисунок 1). Эти расчеты позволят определить оптимальные параметры конструкции, обеспечивающие необходимую точность и надежность работы устройства.

Рисунок 1. Динамическая схема устройства

Максимальный суммарный момент сил 2-го звена:

                                                                          (1)

Статический момент:

,                                     (2)

, если                                                                (3)

Тогда

                                            (4)

Для расчета динамического момента будем считать звенья идеальными стержнями абсолютной жесткости, а груз материальной точкой [3]. Найдем эквивалентный момент инерции:

                                             (5)

Расчет КПД планетарного редуктора:

                                                                                  (6)

где 0,75 – точность изготовления.

Максимальный суммарный момент сил локтевого сустава (2-го звена):

                                                                        (7)

Далее, был разработан червячный редуктор с передаточным отношением 14,8. Передаточное соотношение рассчитано по формулам:

                                                                                            (8)

                                                                   (9)

Была изготовлена 3D модель всей руки робота (рисунок 2), включая сочленения, двигатели, редукторы, что позволило оценить размерность устройства и визуализировать будущий дизайн, а также разработана система дистанционного управления с помощью перчатки с закрепленной над угловыми датчиками положения сочленений (рисунок 3) [4].

Рисунок 2. 3D модель устройства

Рисунок 3. Управление пальцами руки робота с помощью перчатки

В ходе работы была изучена литература по теме: микроэлектроника и робототехника. Изучена классификация роботов: по типу управления. Разработаны 3D модели, создан первый прототип руки робота-андроида. Изучен российский и зарубежный рынок робототехники аналогичных устройств. Освоены программы компьютерного проектирования и моделирования: Autodesk Inventor Pro 2017, Arduino IDE, КОМПАС 3D, Sprint Layout 6.0, Roland Ebgrave Studio.  Изучены основные физические принципы работы редукторов. В настоящее время проводится наладка работы узлов и агрегатов, фиксируются недостатки конструкции, проводятся работы по снижению массы отдельных узлов и агрегатов, увеличению грузоподъемности.

Основные направления НИОКР будут заключаться в том, чтобы разместить все электронные компоненты в закрытом корпусе, увеличить грузоподьемность и маневренность аппарата, наладить производственную цепочку и составить документацию по монтажу электронных компонентов, их эксплуатации и режимах работы.

Список литературы:

1. Майкл, Предко. Устройства управления роботами схемотехника и программирование. / Майк Предко. / Пер. с англ. – М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2004. – 416 с.: ил.
2. Касаткина И. Л. Репетитор по физике для старшеклассников и абитуриентов: механика, молекулярная физика, термодинамика. / И.Л. Касаткина. – Ростов н/Д: Феникс, 2020. – 781 с.: ил.
3. Башмаков М. И. Математика: Учеб. Для профтехучилищ. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Высш. Шк., 1994 – 542 с.: ил.
4. Виктор, Петин. Проекты с использованием контроллера Arduino. / 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015. – 464 с.: ил.