KONOPKA Stanisław 1 KROGUL Piotr 2 ŁOPATKA Marian Janusz 3 MUSZYŃSKI Tomasz 4 Badania mobilności bezzałogowej platformy przegubowej z gąsienicowym układem bieżnym WSTĘP Ciągły rozwój robotyzacji na świecie związany jest z ochroną zdrowia i życia ludzkiego. Wynika to głównie z coraz częściej występujących katastrof budowlanych, kolejowych, czy górniczych. Najczęściej, największy problem stanowi dotarcie służb ratowniczych do osób rannych oraz transport niezbędnych lekarstw potrzebnych podczas ratowania życia ludzkiego. Dotyczy to przede wszystkim miejsc trudnodostępnych, które powstały podczas katastrofy, często niebezpiecznych dla człowieka. W celu udzielenia pomocy poszkodowanym w takich sytuacjach wykorzystuje się bezzałogowe platformy lądowe. W praktyce stosuje się różnorodne struktury takich pojazdów oraz ich układów bieżnych. Znaczącą funkcjonalnością charakteryzują się przegubowe bezzałogowe platformy lądowe. Taki rodzaj struktury cechuje się wysoką zwrotnością, niskimi oporami skrętu oraz wysoką zdolnością pokonywania terenu. Uzupełniając przegubową strukturę platformy o gąsienicowy układ bieżny zyskuje się ograniczenie nacisków na podłoże [1, 4, 3] oraz możliwość rozwijania wyższej siły napędowej niż w przypadku kołowych układów jezdnych [5, 6]. Połączenie zalet struktury przegubowej oraz gąsienicowego układu bieżnego było podstawą do stworzenia bezzałogowej platformy lądowej Dromader. Jej wielkość oraz potencjalne możliwości transportowe zostały zaprojektowane w taki sposób, aby wspomagać człowieka w misjach ratowniczych. Wiąże się to z pokonywaniem przeszkód terenowych typu schody, rów, czy ścianka pionowa [2]. W celu określenia możliwości pokonywanie tego typu przeszkód stworzono model numeryczny platformy Dromader i na jego podstawie przeprowadzono badania symulacyjne. 1. MODEL NUMERYCZNY PLATFORMY DROMADER Model numeryczny bezzałogowej platformy Dromader został opracowany w programie MSC Adams. Głównym zespołem modelu jest gąsienicowy układ bieżny (rys.1). Składa się on z koła napędowego (1), kół nośnych (sanki) (3), oraz gąsienicy 2. Gąsienicę zbudowano z 32 ogniw połączonych między sobą obrotowymi więzami. Współpracuje ona z kołem napędowym za pośrednictwem odpowiednio ukształtowanych występów, które również pełnią rolę elementów zabezpieczających gąsienicę przed spadnięciem. Koła nośne (sanki) 3 połączono z kołem napędowym za pomocą więzu translacji, ograniczając tym samym ich wzajemne przemieszczanie po założonym kierunku. Odpowiedni naciąg gąsienicy zamodelowano poprzez wykorzystanie elementu sprężystotłumiącego między kołami nośnymi, a napędowym (rys.1) o współczynnikach k 1 i c 1. Wartości tych współczynników przyjęto w oparciu o wstępne badania symulacyjne (tabela 1). W celu wybrania luzów pomiędzy elementami współpracującymi z gąsienicą przyjęto wstępne napięcie elementu sprężystego siłą o wartości 15 kn (tabela 1). W celu uproszczenia obliczeń numerycznych, a tym 1 Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel.: +48 22 683-93-64, skonopka@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel.: +48 22 683-74-16, pkrogul@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel.: +48 22 683-96-16, mlopatka@wat.edu.pl 4 Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, Wydział Mechaniczny; 00-908 Warszawa; ul. Kaliskiego 2. Tel.: +48 22 683-71-07, tmuszynski@wat.edu.pl 499
samym przeprowadzania symulacji z większą efektywnością, uwzględniono punktowy kontakt pomiędzy ogniwami gąsienicy a kołem napędowym i sankami nośnymi oraz pominięto w nim zjawisko tarcia. Rys. 1. Przyjęty model pojedynczego gąsienicowego układu bieżnego z elementami sprężysto-tłumiącymi: 1- koło napędowe, 2- gąsienica, 3- koła nośne (sanki) Na podstawie modelu pojedynczego, gąsienicowego układu bieżnego stworzono model gąsienicowej bezzałogowej platformy lądowej (rys.2). Model ten składa się z czterech gąsienicowych układów bieżnych (5) (dwóch przednich i dwóch tylnich) połączonych między sobą za pośrednictwem członów: przedniego (4) i tylnego (1) (rys.2a). Z kolei człony te połączone są ze sobą poprzez przedni 3 i tylny 2 człon sprzęgu. Masy poszczególnych zespołów wynoszą: człon przedni, 250 kg, człon tylni, 250 kg, pojedynczy, gąsienicowy układ bieżny, 25 kg. Model (rys.2) jest układem złożonym, o 163 stopniach swobody. Model strukturalny platformy przedstawiono na rysunku 3. Wartości elementów sprężysto-tłumiących przyjęto w oparciu o wstępne badania symulacyjne. Sposób połączenia poszczególnych elementów modelu przedstawiono na rysunku 4. a) b) Rys. 2. Model symulacyjny gąsienicowej bezzałogowej platformy lądowej: a- rzut izometryczny, b- rzut z góry, 1- człon tylny, 2- tylny człon sprzęgu, 3- przedni człon sprzęgu, 4- człon przedni, 5- pojedynczy gąsienicowy układ bieżny
Rys. 3. Model strukturalny platformy Dromader Tabela 1. Zestawienie wartości współczynników sztywności i tłumienia dla zaprojektowanego modelu gąsienicowej bezzałogowej platformy lądowej k1, kn/m 120 (+ napięcie wstępne 15 kn) k2, kn/m k3, kn/m k4, kn/m c1, Ns/m c2, Ns/m c3, Ns/m c4, Ns/m 60 5 5 0 30 10 10 Rys.4. Schemat połączeń elementów w modelu numerycznym gąsienicowej bezzałogowej platformy lądowej 501
2. METODYKA PROWADZONYCH BADAŃ Badania prowadzono w warunkach pokonywania przez model bezzałogowej platformy lądowej Dromader trzech wybranych przeszkód: próg (rys.5a), rów (rys.5b), schody (rys.5c). Rodzaje przeszkód zostały dobrane z uwagi na znaczne trudności w ich pokonywaniu przez bezzałogowe platformy lądowe. Przeszkody zostały zamodelowane jako sztywne elementy, gdzie współczynnik tarcia statycznego pomiędzy gąsienicą i podłożem przyjęto 0,9, a tarcia dynamicznego 0,7. Charakterystyczne wymiary przyjętych przeszkód oraz sposób ich pokonywania przedstawiono na rysunku 5. Przejazd przez przeszkodę typu rów przeprowadzono dla modelu ustawionego prostopadle do jego krawędzi oraz pod kątem 60 o. W badaniach przyjęto jednakowe prędkości kątowe wszystkich kół napędowych o stałej wartości 5 rad/s. a) b) c) Rys. 5. Schemat pokonywania przeszkód oraz ich wymiary (w mm) dla: a- progu, b- rowu, c- schodów 502
3. WYNIKI PROWADZONYCH BADAŃ SYMULACYJNYCH Celem prowadzonych badań było określenie niezbędnej siły napędowej potrzebnej do pokonania przyjętych przeszkód oraz sił wynikających z nacisków poszczególnych gąsienic na podłoże. Przykładowe przebiegi tych sił dla przejazdu przez próg przedstawiono na rysunkach 6, 7, 8 i 9. Na ich podstawie wyznaczono maksymalne, minimalne oraz średnie wartości tych sił dla przejazdu przez poszczególne przeszkody (tabela 2). Nieregularność przedstawionych przebiegów wynika z charakteru współpracy sztywnych ogniw gąsienicy z nieodkształcalnym podłożem. Model platformy pokonywał przeszkodę typu próg prawą burtą, o czym świadczą zwiększone dla nich wartości sił nacisków (rys. 8, 9). Z kolei chwilowy wzrost sił nacisków dla tylnej lewej gąsienicy (rys. 7), występujący w pobliżu 9 s, wynika z gwałtownego uderzenia jej o podłoże po zakończeniu zjazdu z progu przez tylną prawą gąsienicę. Brak wyraźnej tendencji wzrostu siły napędowej ze wzrostem sił nacisku spowodowane jest możliwością wystąpienia kształtowego połączenia ogniw gąsienicy z pokonywaną przeszkodą, a także z przyjętej stałej prędkości kątowej dla każdego koła napędowego, co z kolei mogło być przyczyną wystąpienia niezgodności kinematycznej. Próg, gąsienica przednia lewa 0 4 4000 3 siła nacisku siła napędowa 3000 Siła, N 2 2000 1 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 Czas, s Rys. 6. Przebieg zmian siły nacisku i napędowej dla przedniej lewej gąsienicy podczas pokonywania progu 503
Próg, gąsienica tylna lewa 0 4 4000 3 3000 siła nacisku siła napędowa Siła, N 2 2000 1 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 Czas, s Rys. 7. Przebieg zmian siły nacisku i napędowej dla tylnej lewej gąsienicy podczas pokonywania progu Próg, gąsienica przednia prawa 0 4 4000 3 siła nacisku siła napędowa 3000 Siła, N 2 2000 1 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 Czas, s Rys. 8. Przebieg zmian siły nacisku i napędowej przedniej prawej gąsienicy podczas pokonywania progu 504
Próg, gąsienica tylna prawa 0 4 4000 3 3000 siła nacisku siła napędowa Siła, N 2 2000 1 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 Czas, s Rys. 9. Przebieg zmian siły nacisku i napędowej dla tylnej prawej gąsienicy podczas pokonywania progu Tabela 2. Zestawienie wartości sił nacisku i napędowych dla pokonywanych przeszkód Siła nacisków [kn] Siła napędowa [kn] gąsienica przednia lewa gąsienica przednia prawa gąsienica tylna lewa gąsienica tylna prawa gąsienica przednia lewa gąsienica przednia prawa gąsienica tylna lewa gąsienica tylna prawa Próg Rów (prosto) Rów (60 o ) Schody wartość max. 2,5 2,8 6 4,5 wartość min. 0,8 1 0,7 0,1 wartość średnia 1,5 2 2,1 1,8 wartość max. 3 3,5 3,3 6,5 wartość min. 1,1 1 0,2 0,6 wartość średnia 2,2 1,8 1,5 1,8 wartość max. 2,6 4 2,5 5 wartość min. 0,8 0,6 0,5 0,3 wartość średnia 1,5 2 1,6 1,8 wartość max. 3 3 3,3 4 wartość min. 1 0,8 0,6 0,5 wartość średnia 1,8 1,7 1,7 1,6 wartość max. 1 2,2 2 3 wartość min. 0,3 0,5 0,5 0,5 wartość średnia 0,7 1,3 0,8 1,3 wartość max. 2 2,5 1,3 3 wartość min. 0,4 0,5 0,5 0,5 wartość średnia 0,8 1,1 0,8 1,4 wartość max. 1,3 1,9 2,7 3 wartość min. 0,3 0,5 0,5 0,4 wartość średnia 0,7 1 0,9 1,2 wartość max. 2 3,5 1,5 2,5 wartość min. 0,4 0,5 0,5 0,4 wartość średnia 0,9 1 1 1,2 505
WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że zaproponowany model bezzałogowej platformy lądowej jest w stanie pokonać przyjęte przeszkody. W trakcie przeprowadzanych badań stwierdzono, że najbardziej niekorzystną przeszkodą do pokonania jest wjazd na schody. Wynika to z charakteru pracy przyjętego modelu gąsienicy podczas zazębiania się ze stopniami przeszkody. Taki charakter wpływa na wysokie chwilowe wartości maksymalne sił nacisku dochodzące do 6,5 kn na jedną gąsienicę. Z drugiej strony nieregularny charakter współpracy gąsienicy z przeszkodą typu schody może powodować odrywanie się gąsienicy, o czym świadczą wartości minimalne sił nacisku o wartości 0,1 kn. Podsumowując, w celu pokonania przyjętych przeszkód platforma powinna być wyposażona w silnik o mocy wystarczającej do wytworzenia minimalnej siły napędowej o wartości 5 kn. Streszczenie Dotarcie służb ratowniczych do miejsc dotkniętych katastrofami często jest niebezpieczne w realizacji. Problem ten stał się podstawą do stworzenia bezzałogowej platformy lądowej pozwalającej na przeprowadzenie takich działań. Biorąc to pod uwagę wykonano badania symulacyjne określające możliwości pokonywania wybranych przeszkód terenowych oraz sił napędowych niezbędnych w ich realizacji. W tym celu stworzono model numeryczny platformy o gąsienicowym układzie bieżnym i przegubowym układzie skrętu. Stworzony model jest układem złożonym o 163 stopniach swobody, co wynika głównie z wieloelementowego systemu gąsienicowego. Badania polegały na pokonywaniu trzech przeszkód ze stałą prędkością jazdy. Do symulacji przyjęto przeszkody typu próg, rów oraz schody. Przejazd przez rów zrealizowano prostopadle do jego krawędzi oraz pod kątem 60 o, przeszkodę typu próg pokonywano tylko jedną burtą, natomiast wjazd na schody przeprowadzono przez platformę ustawioną prostopadle do ich krawędzi. Mobility research of unmanned articulated vehicle with track system Abstract It s dangerous to reach places affected by the disaster by emergency services. This issue has become the basis for build a unmanned ground vehicle allowed to perform such activities. Taking this into account the simulation research was conducted. They set possibilities to overcome obstacles and drive force necessary for their implementation. For this purpose the numerical model of unmanned track vehicle with articulated turning system was created. This model is a complex system with 163 degrees of freedom, which is due mostly from multielement track system. The research consists on overcoming three obstacles with constant drive velocity. For the simulations were taken into account obstacles type of threshold, ditch and stairs. Drive through the ditch was carried out perpendicular to their edges and at an angle of 60 o, the threshold was overcame by only one side, while driveway on stairs was performed by unmanned vehicle set to theirs edges perpendicular. BIBLIOGRAFIA 1. Dąbrowska A.: Rubiec A., Evaluation of lightweight unmanned vehicle mobility, II International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientists, Poznań 2009. 2. Haueisen B., Mobility analysis of small, lightweight robotic vehicles, April 2003. 3. Łopatka M., Analiza metod oceny zdolności pokonywania terenu o niskiej nośności, Biuletyn WAT 10/2004. 4. Maclaurin B., Comparing the NRMM (VCI), MMP and VLCI traction models, Journal of Terramechanics 44 (2007), pp. 43-51. 5. Wong J. Y., Terramechanics and off-road vehicle engineering, Second Edition, Elsevier Ltd., 2010. 6. Wong J. Y.: Theory of ground vehicles, Third Edition, Willey IEEE, New York 2001. 506