Koncepcja ślimakowego mechanizmu napędowego płetw bocznych podwodnego robota mobilnego

Transkrypt

1 MALEC Marcin 1 Koncepcja ślimakowego mechanizmu napędowego płetw bocznych podwodnego robota mobilnego WSTĘP Na przestrzeni kilku ostatnich lat obserwujemy gwałtowny rozwój konstrukcji inspirowanych naturą, najbardziej rozwiniętą grupę stanowią wielonożne roboty kroczące [1]. Obecnie można dostrzec nową prężnie rozwijającą się rodzinę robotów naśladujących wyglądem i zachowaniem ryby. Pojazdy te poruszają się w wyniku skoordynowanego ruchu tułowia, płetw bocznych oraz sterowanego zbiornika balastowego pełniącego funkcję sztucznego pęcherza pławnego. Istotnym elementem składowym systemu napędowego biomimetycznych podwodnych robotów mobilnych typu subcarangiform, carangiform, tuniform [3] naśladujących swym wyglądem ryby łososiokształtne, okoniokształtne i tuńczykowate [7] jest podsystem płetw bocznych. Prawidłowo zaprojektowany układ napędowy płetw zwiększa manewrowość jednostki, a ponadto może wspomagać główny system napędowy robota w celu zwiększenia siły naporu a tym samym prędkości pływania pojazdu [6], [7], [8]. 1 CELE I ZADANIA SYSTEMU NAPĘDOWEGO PŁETW BOCZNYCH Głównym celem płetw bocznych jest umożliwienie biomimetycznemu pojazdowi podwodnemu z napędem falowym zmianę kursu i głębokości pływania. Dynamiczna zmiana zanurzenia prezentowana na rysunku 1 możliwa jest wówczas gdy pojazd porusza się a płaszczyzny płetw bocznych zmieniają jednocześnie położenie kątowe względem podłużnej osi pojazdu. W wyniku wygenerowanej siły nośnej, robot zanurza się lub wynurza w zależności od jego prędkości i kąta nachylenia sztucznych płetw. Zmianę kursu można uzyskać poprzez asymetryczne ustawienie płetw bocznych (np. lewa płetwa wychylona o kąt dodatni a prawa o kąt ujemny o innej wartości względem podłużnej osi pojazdu). Powstały wówczas moment od sił oporu wody na płetwach spowoduje zmianę kursu i ewentualnie głębokości pływania. Wychylenie obu płetw o kąt 90 względem osi podłużnej związanej z kadłubem spowoduje stopniowe wyhamowanie pojazdu podwodnego. W przytoczonych przypadkach konieczne jest aby pojazd się poruszał, czyli główny system napędowy płetwy ogonowej pracował, a obie płetwy boczne zmieniały niezależnie swoje położenie kątowe w zakresie co najmniej ±90 względem podłużnej osi pojazdu. 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Mechaniczny, Kraków, Al. Jana Pawła II 37, Tel: , Fax: , mmalec@mech.pk.edu.pl 11998

2 Rys. 1. CyberRyba 5 dynamiczna zmiana głębokości [11] Alternatywnym rozwiązaniem jest wygenerowanie ruchu oscylacyjnego płetw bocznych za pomocą odpowiedniego mechanizmu napędowego. W zależności od parametrów sterowania mechanizmu takich jak: amplitudy, częstotliwości i punkty neutralne oscylacji poszczególnych płetw bocznych możemy uzyskać dodatkową siłę naporu, której kierunek i wartość będzie zależała między innymi od parametrów sterowania i konstrukcji mechanicznej płetw. Punkt neutralny rozumiany jest w tym kontekście jako wartość średnia położenia kątowego płetw pomiędzy skrajnymi wychyleniami w czasie oscylacji. Konstrukcja mechanizmu napędowego płetw bocznych musi umożliwiać niezależną zmianę położenia punktu neutralnego co najmniej w zakresie w czasie oscylacji obu płetw, dzięki czemu możliwe będzie wygenerowanie siły naporu pochodzącej od płetw bocznych w dowolnym kierunku na płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu tych płetw. Innymi słowy oscylacje płetw muszą zachodzić wokół ich dowolnego położenia kątowego wokół osi obrotu. 2 KLASYCZNE ROZWIĄZANIA Obecne rozwiązania systemu płetw bocznych stosowane w robotach naśladujących ryby ograniczają się z reguły do realizacji funkcji dynamicznej zmiany głębokości i kursu. W ograniczonym zakresie wspomagają główny system napędowy poprzez generowanie dodatkowej siły powstałej w wyniku ich oscylacyjnego ruchu. Rozwiązania prezentowane na rysunku 2 opracowanie: [10], [2], wykorzystują układy serwonapędów modelarskich, w związku z tym zakres sterowania pozycją jest ograniczony, a moc niewystarczająca dla potrzeb dużych robotów. Z uwagi na powyższe nie ma możliwości wygenerowania określonej siły naporu w dowolnym kierunku w płaszczyźnie prostopadłej do osi płetw. Istotnym ograniczeniem dotychczasowych rozwiązań opisywanych w literaturze jest stosunkowo mała szybkość działania systemu napędowego płetw bocznych. Dla uzyskania ruchu oscylacyjnego o wymaganej częstotliwości i amplitudzie silniki wykonują ruch oscylacyjny pokonując przy tym duże momenty bezwładności wynikające z gwałtownych zmian wartości przyspieszania kątowego wirnika, kół zębatych przekładni jak i elementów wchodzących w skład systemu zanurzania. W związku z tym uzyskanie dużej częstotliwości oscylacji klasycznego rozwiązania napędu płetw bocznych jest niemożliwe. Ponadto długotrwała praca silników w takiej konfiguracji powoduje bardzo duże zużycie energii, silne nagrzewanie napędów oraz przyspieszone zużycie podzespołów głównie szczotek i komutatora silnika

3 Rys. 2. Niezależny system napędowy płetw bocznych[10], [2] 3 NIEZALEŻNY, ŚLIMAKOWY SYSTEM NAPĘDOWY PŁETW BOCZNYCH Należy zatem zaprojektować mechanizm napędowy płetw bocznych umożliwiający, niezależną zmianę położenia kątowego lewej i prawej płetwy, przy jednoczesnym uwzględnieniu maksymalnego ograniczenia zużycia energii elektrycznej potrzebnej do zasilania systemów napędowych. Mechanizm musi umożliwić wygenerowanie ruchu oscylacyjnego płetw bocznych przy jednoczesnej możliwości zmiany punktu neutralnego w zakresie od 0⁰ do 360⁰ w czasie pracy. Fragment mechanizmu odpowiedzialny za zmianę punktu neutralnego w czasie oscylacji lub też kąta nachylenia płetw w przypadku gdy ruch oscylacyjny jest wyłączony, powinien odznaczać się samohamownością, aby napór wody na powierzchnię płetw nie powodował ich przemieszczenia. Wówczas po ustawieniu płetw w wymaganym położeniu silniki napędowe mogłyby zostać całkowicie odłączone od zasilania zmniejszając zużycie energii tego systemu. Rys. 3. Ślimakowy system napędowy płetw bocznych opracowanie własne Na rysunku 3 przedstawiono koncepcję mechanizmu napędowego płetw bocznych, spełniającego powyższe wymagania. Istotą zaprezentowanego wynalazku jest ślimakowy system napędowy płetw bocznych podwodnego robota mobilnego charakteryzujący się tym, że zawiera napędzany silnikiem głównym (centralnym) mechanizm korbowo-wahaczowy. Mechanizm wprawia w ruch oscylacyjny płetwy boczne, które napędzane są za pośrednictwem samohamownych przekładni ślimakowych, silnikami wspomagającymi (bocznymi) przymocowanymi do wspólnej bazy. W opisie rysunku 4 wprowadzono indeksy a oraz b do rozróżnienia zestawów współpracujących ze sobą elementów dla każdej z płetw. System napędowy zawiera dwa zespoły napędowe płetw bocznych oraz jeden mechanizm główny. Mechanizm główny zawiera silnik centralny (1) z wbudowanym enkoderem monitorującym aktualne położenie mechanizmu korbowo-wahaczowego. Silnik ten zamocowano do nieruchomej podstawy (11), do której przytwierdzona jest za pomocą nieruchomego łącznika (9) baza mocowania silników płetw bocznych (12). Na wale głównego silnika napędowego osadzony jest łącznik 12000

4 mimośrodowy (10), do którego przyłączony jest łącznik (8), który dalej za pomocą łącznika (7) współpracuje z osiami (13a), (13b) płetw bocznych. Długości członów mechanizmu czworoboku przegubowego są tak dobrane, aby ciągły obrót osi silnika centralnego powodował oscylacyjny ruch bazy mocowania silników płetw bocznych, a tym samym zespołów napędowych płetw bocznych. Rys. 4. Ślimakowy system napędowy płetw bocznych opracowanie własne Do mocowania silników płetw bocznych (6a, 6b), przytwierdzone są odpowiednio silniki wspomagające (2a i 2b) wyposażone w enkodery. Mocowania połączone są nieruchomo z bazą i służą również do łożyskowania osi płetw bocznych. Na osiach (13a, 13b) osadzone są ślimacznice (5a, 5b), współpracujące ze ślimakami (4a, 4b). Tworzą one razem samohamowne przekładnie ślimakowe. Podczas pracy pozycja silników bocznych oraz ich mocowań względem bazy się nie zmienia, tzn. wykonują one razem ruch oscylacyjny. Silnik mechanizmu głównego kręcąc się w jednym kierunku ze stałą prędkością powoduje ruch oscylacyjny jednocześnie lewej i prawej płetwy bocznej, natomiast zatrzymanie silnika głównego unieruchamia mocowanie napędów płetw bocznych. Częstotliwość drgań płetw bocznych zależy od prędkości kątowej silnika mechanizmu głównego. Z uwagi na fakt, iż silnik ten porusza się bez zmiany kierunku obrotów, możliwie jest uzyskanie dużej częstotliwości oscylacji płetw bocznych przy jednoczesnym zwiększeniu sprawności opisywanego systemu napędowego. Ponadto zaletą przedstawionego rozwiązania jest zmniejszenie zużycia elementów silnika głównego. Amplituda drgań płetw bocznych jest zdeterminowana parametrami geometrycznymi mechanizmu, w związku z tym istnieje możliwość zmiany amplitudy drgań płetw bocznych dzięki rekonfiguracji mechanizmu głównego przez zmianę długości łączników. Uruchomiony silnik wspomagający mechanizmu płetwy bocznej, za pośrednictwem przekładni ślimakowej przekazuje ruch do płetwy, powodując zmianę jej punktu neutralnego. Zastosowanie samohamownej przekładni ślimakowej umożliwia uzyskanie dużego przełożenia. Dodatkowo samohamowność przekładni jest istotna z punktu widzenia sprawności napędu. W wyniku naporu wody na płetwy w czasie ruchu pojazdu, reakcja z płetw bocznych nie przenosi się na system napędowy, dzięki czemu po ich ustawieniu w pożądanej pozycji, silniki wspomagające mogą zostać odłączone od zasilania. Zatrzymanie silnika głównego umożliwia ustawienie statycznego położenia kątowego płetw za pomocą osobno sterowanych silników bocznych. Dzięki współpracy mechanizmu głównego oraz silników bocznych można zmieniać niezależnie położenie płetw umożliwiając realizację zmiany kursu i głębokości pływania. Zmiana ustawienia punktu neutralnego podczas pracy mechanizmu głównego powoduje uzyskanie dodatkowej siły napędowej w dowolnym kierunku na płaszczyźnie prostopadłej do osi płetw. W związku z tym, można uzyskać zwiększoną dynamikę zanurzania i wynurzania, jak również ciąg wsteczny. Przedstawione rozwiązanie pozwala otrzymać duże częstotliwości oscylacji, co w sposób bezpośredni przekłada się na wzrost generowanej siły naporu pędnika oraz efektywności tak zaprojektowanego systemu napędowego [5]. W konfiguracji, w której użyto przeciwlegle zamontowanych silników płetw bocznych uzyskano położenie środka ciężkości w pobliżu osi obrotu

5 Powoduje to zmniejszenie momentów bezwładności wokół tej osi, które mogą być przyczyną drgań pojazdu i zbędnego obciążenia silnika mechanizmu głównego. WNIOSKI Zaprezentowany system ma na celu zwiększenie manewrowości i sprawności pojazdów podwodnych. Innowacyjne rozwiązanie umożliwi uzyskanie dużej częstotliwości oscylacji płetw bocznych co pozwoli na zwiększenie prędkości pływania. Niezależnie działające silniki płetw bocznych z przekładniami samohamownymi ograniczą zużycie energii podczas pracy systemu napędowego. Z uwagi na szereg zalet autor niniejszego opracowania ma nadzieje, iż system zostanie wdrożony do rozwiązań komercyjnych zarówno na potrzeby niekonwencjonalnych pojazdów podwodnych takich jak CyberRyba jak również pojazdów klasycznych. Przedstawione rozwiązanie pracując w konfiguracji poziomej realizuje jednocześnie funkcje napędowe jak również funkcje systemu zmiany głębokości. W konfiguracji poziomej mechanizm może pełnić rolę systemu napędowego i układu zmiany kursu dowolnej jednostki pływającej. Powyższe rozwiązanie zostało zgłoszone do Urzędu Patentowego Rzeczpospolitej Polskiej w celu udzielenia patentu na wynalazek pt.: Ślimakowy system napędowy płetw bocznych podwodnego robota mobilnego [4]. Streszczenie W artykule opisano koncepcje systemu napędowego płetw bocznych podwodnego robota mobilnego z napędem falowym. Na podstawie wieloletniego doświadczenia zespołu Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki, zbudowanych konstrukcji prototypów pojazdu podwodnego z napędem falowym, zrealizowanych testów, doświadczeń i badań naukowych zaproponowano innowacyjny mechanizm napędowy płetw bocznych. Przedstawione rozwiązanie umożliwi w zwiększenie sprawności, manewrowości, realizację gwałtownego wynurzania, zanurzania i hamowania pojazdu podwodnego. W artykule szczegółowo opisano koncepcję mechanizmu napędowego płetw bocznych wraz z zaletami i potencjalnymi zastosowaniami. The concept of the lateral fins screw drive mechanism of underwater mobile robot Abstract In the presented article the conception of lateral fins drive system of mobile underwater robot with undulating propulsion is described. Based on many years of experience of the team from Cracow University of Technology, designed and built prototypes of underwater vehicle with undulating propulsion, carried out tests, experiments and scientific research an innovative lateral fins drive mechanism is proposed. The presented concept of mechanism will enable the robot to increase its maneuverability, performing rapid dive, emerge or breaking. The construction of lateral fins drive mechanism as well as its benefits and potential application is described in details in the presented article. BIBLIOGRAFIA 1. Krenich S., Urbanczyk M.: Six-legged walking robot for inspection tasks. Solid State Phenomena, Vol. 180 (2012), str Lachat D. i inni, BoxyBot: a swimming and crawling fish robot controlled by a central pattern generator, Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2006, 3. Low H. K., Modelling and parametric study of modular undulating fin rays for fish robots, Mechanism and Machine Theory, Nr 44, 2009, s , 4. Malec M. Morawski M, Ślimakowy system napędowy płetw bocznych podwodnego robota mobilnego, Urząd Patentowy Rzeczpospolitej Polskiej zgłoszenie numer P z dnia , 12002

6 5. Malec M. Morawski M. Wpływ parametrów sterowania na siłę ciągu podwodnego robota mobilnego z napędem falowym dla różnych wariantów płetwy ogonowej. Elektronika, konstrukcje technologie, zastosowania, Nr 12/2013, s , 6. Malec M., Morawski M., Analysis of thrust of underwater vehicle with undulating propulsion, Advances in Intelligent Systems and Computing, Nr 267, 2014, s , 7. Malec M., Morawski M., Zając J., Biomimetyczne napędy podwodnych robotów mobilnych w kontekście rozwoju CyberRyby, PAR - Pomiary, Automatyka, Robotyka, Nr 2/2011, s , 8. Malec M., Morawski M., Zając J., Development of CyberFish Polish Biomimetic Unmanned Underwater Vehicle BUUV, Applied Mechanics and Materials Vol. 613 (2014) s Specyfikacja Patentu europejskiego nr EP B1, 2012, s. 1-14, 10. Zhang L. i inni, Development and Depth Control of Biomimetic Robotic Fish, Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, 2007, s , 11. Źródła internetowe CyberRyba , 12003