Разработка одномассового виброробота с управлением нормальной реакцией

ВВЕДЕНИЕ 6
1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ 9
1.1. ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ПРОЕКТА 17
1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА 17
2. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ 20
2.1. Схема виброробота 20
2.2 Математическая модель движения виброробота 23
2.2.1 Моделирование движения одномассовой системы 23
2.2.2 Моделирование движения двухмассовой системы 30
3. РАСЧЁТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ 42
3.1. Выбор электродвигателя 42
3.2. Выбор схемы редуктора 43
3.3. Расчет зубчатой передачи 44
3.3.1.Проектный расчет по контактным напряжениям 44
3.3.2. Расчет геометрических параметров передачи 45
3.4. Расчет реечной передачи 45
3.4.1. Расчет на контактную и изгибную прочность 45
3.4.2. Расчет геометрических параметров передачи 47
3.5. Расчет валов 50
3.5.1. Предварительный расчет 50
3.5.2. Расчет на статическую прочность 51
3.5.3. Расчет по приведенному запасу прочности 58
3.6. Выбор подшипников 59
3.7. Выбор смазки 60
3.8. Расчет посадки с натягом 60
3.9. Расчет клеевого соединения 63
4. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 65
4.1. Проектирование САУ виброробота 65
4.1.1 Модель ДПТ НВ 65
4.1.2. Закон управления 68
4.1.3. Модель мотор-редуктора 71
4.1.4. Модель робота как двухмассовой системы с управлением нормальной реакцией 72
4.1.5. Тестирование модели 77
4.2. Исследование устойчивости САУ вибродвижителем робота 84
4.2.1. Структурная схема САУ 84
4.2.2. Составление передаточной функции системы 84
4.2.3. Исследование устойчивости САУ 89
4.3. Разработка цифровой системы управления вибророботом на основе микроконтроллера ATmega8 94
4.3.1. Функциональная схема устройства 94
4.3.2. Разработка принципиальной схемы системы управления 95
4.3.3. Блок-схема управляющей программы 114
4.3.4. Исследование устойчивости цифровой системы управления 116
5. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 120
5.1. Требования к освещению помещения 120
5.2. Расчет освещенности рабочего места оператора 121
6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 126
6.1. Маркетинговые исследования 126
6.2....

Вибрационный робот разрабатывается как мехатронная система, состоящая из механического, электрического, и электронного компонентов (компьютера). Механическая вибрация возбуждает тело робота, которое взаимодействует со средой с некоторым усилием. Масса, движущаяся в вертикальной плоскости, позволяет менять силу нормальной реакции для увеличения средней скорости тела робота. Робот оснащен датчиками обратной связи, чтобы поддерживать эффективный режим управления и обеспечивать заданные характеристики движения рабочего органа под действием различных вибраций. Характеристики вибровозбуждения должны быть настроены для специфической задачи, выполняемой роботом. Эта настройка может производиться на основе параметрической оптимизации, в которой характеристика управления роботом (его средняя скорость) выступает как основная функция.

В настоящее время практически во всех промышленно развитых странах интенсивно ведутся работы по созданию мобильных роботов. Это связано с необходимостью передвижения и выполнения технологических и инспекционных операций в недоступных или трудно доступных для человека местах, а также на территориях с "агрессивными" средами, где нахождение человека является небезопасным [1, 3, 5].
Мобильные устройства, которые могут передвигаться без специальных движителей, взаимодействуя с внешней средой непосредственно своим корпусом, в последнее время привлекают внимание исследователей. Одним из перспективных методов движения мобильных роботов является движение за счёт вибрации внутренних масс конструкции робота [2, 4].
Управляя движением внутренних масс мобильного вибрационного робота, можно управлять силой реакции внешней среды на корпус робота, обеспечивая его движение в желаемом направлении. Вибрационные роботы просты по конструкции, они не требуют специальных движителей, таких как колеса, гусеницы или ноги [6, 7, 8]. Это делает мобильные вибрационные роботы перспективными для движения не только по поверхностям, но и внутри плотных сред, препятствующих проникновению (например, в трубопроводах, заполненных пульпой) и т.д.
В природе такой принцип создания движения широко используется простейшими организмами. В качестве примера представлен биологический объект (прототип виброробота), который перемещается благодаря колебаниям внутренней массы и называется Brachionus. Вибрация внутреннего элемента обеспечивает периодическое движение всего объекта (биологического тела). Вибрирующее движение тела позволяет этому объекту перемещаться по шероховатой поверхности и в жидкой среде.

Классификация вибророботов предлагается с точки зрения размерности пространства, где робот и его элементы перемещаются. Самый простой случай - перемещение робота в одномерном пространстве (1-D). В этом случае движение робота происходит путём изменения формы его тела (подобно движению червя), или с...

В результате выполнения дипломного проекта был разработан вибрационный робот с двумя подвижными внутренними массами в вертикальной и горизонтальной плоскостях, удовлетворяющий требованиям технического задания.
Управление происходит путём подачи на двигатели электроприводов питающего напряжения прямой либо обратной полярности (посредством широтно-импульсной модуляции).
Разработана система управления вибрационным роботом со следующими техническими характеристиками и условиями работы:
1) напряжение питания: 12 В;
2) диапазон регулирования скорости: 0-0,03 м/с;
3) коэффициент перерегулирования при типовом воздействии в виде единичного импульса составляет 0%;
4) время протекания переходного процесса t = 0,45 с.
5) САУ обеспечивает поступательное движение виброробота с соблюдением требуемых характеристик скорости.