Устройство для управления движением сочлененных транспортных тележек

 

Использование: транспортное машиностроение , аппаратура управления движением сочлененных транспортных тележек (ТТ), т.е. мобильных роботов, предназначенных для работы в экстремальных средах, например , на АЭС. Сущность изобретения: повышение маневренности, проходимости и устойчивости сочлененных ТТ путем изменения структуры устройства управления в соответствии с условиями движения тележек . Первое из заявленных устройств для управления движением сочлененных ТТ соЗаявляемая группа изобретений относится к транспортному машиностроению, а именно к устройствам для управления движением сочлененных транспортных тележек (мобильных роботов), предназначенных для использования на атомных электростанциях в аварийных и штатных ситуациях, при держит датчики угла между продольной осью одной тележки и направлением на другую , датчик расстояния между тележками, задатчики скорости и направления движения . Новым в устройстве является выполнение сцепки в виде телескопической штанги, связанной с тележками с помощью карданных шарниров, установка датчиков угла и расстояния непосредственно на сцепке, наличие в составе устройства усилительнокорректирующих блоков, сумматоров, ключей и трехпозиционного переключателя, соединенных между собой и с приводами движителей тележек так, что они образуют контуры стабилизации тележек по углу относительно сцепки и по дальности между тележками . Ключи предназначены для изменения структуры устройства управления . Изменяя их состояние, можно реализовать определенный набор режимов координированного движения тележек при прохождении ими сложных участков траектории . Второе из заявленных устройств отличается от первого только тем, что сочленение тележек выполнено сцепкой в виде фала переменной длины, связанного с ними с помощью одностепенных вращательных шарниров. 4 ил.. 1 табл. высоких уровнях радиации и наличии разрушений . Сущность группы изобретений заключается в повышении маневренности, проходимости и устойчивости движения сочлененных транспортных тележек путем изменения структуры устройства управлесл с 00 ю GJ 00 ю ; со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ni>s В 60 1 15/32

ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ЬЭ (л)

iQ0 (21) 4926054/11 (22) 05.04.91 (46) 23.06.93. Бюл. М 23 (71) Институт физико-технических проблем (72) B,В,Вечканов, В.В.Ивандиков, С.В.Каширов и Ю.А.Коротаев (73) Институт физико-технических проблем (56) Кумар. Уолдрон. Транспортные системы с активным согласованием движений. Современное машиностроение, Сер, Б., 1990, N. 1, с,96 — 105.

Авторское свидетельство СССР

М 1273287, кл. В 62 (6/00, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ДВИЖЕНИЕМ СОЧЛЕНЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ТЕЛЕЖЕК (57) Использование: транспортное машиностроение, аппаратура управления движением сочлененных транспортных тележек (ТТ), т.е, мобильных роботов, предназначенных для работы в экстремальных средах, например, на АЭС. Сущность изобретения: повышение маневренности, проходимости и устойчивости сочлененных ТТ путем изменения структуры устройства управления в соответствии с условиями движения тележек. Первое иэ заявленных устройств для управления движением сочлененных ТТ соЗаявляемая группа изобретений относится к транспортному машиностроению. а именно к устройствам для управления движением сочлененных транспортных тележек (мобильных роботов). предназначенных для использования на атомных электростанциях в аварийных и штатных ситуациях, при

„„Я „„1823824 А3 держит датчики угла между продольной осью одной тележки и нап равлением на другую. датчик расстояния между тележками, задатчики скорости и направления движения. Новым в устройстве является выполнение сцепки в виде телескопической штанги, связанной с тележками с помощью карданных шарниров, установка датчиков угла и расстояния непосредственно на сцепке, наличие в составе устройства усилительнокорректирующих блоков, сумматоров, ключей и трехпозиционного переключателя, соединенных между собой и с приводами движителей тележек так, что они образуют контуры стабилизации тележек по углу относительно сцепки и по дальности между тележками. Ключи предназначены для изменения структуры устройства управления. Изменяя их состояние, можно реализовать определенный набор режимов координированного движения тележек при прохождении ими сложных участков траектории, Второе из заявленных устройств отличается от первого только тем, что сочленение тележек выполнено сцепкой в виде фала переменной длины, связанного с ними с помощью одностепенных вращательных шарниров. 4 ил„1 табл, высоких уровнях радиации и наличии разрушений.

Сущность группы изобретений заключается в повышении маневренности. проходимости и устойчивости движения сочлененных транспортных тележек путем изменения структуры устройства управле1823824 ного перемещения) на ТС. наличием новых блоков и элементов: усилительно-корректи рующих блоков, сумматоров, ключей, трехпоэиционного переключателя и их связями между собой и с остальными элементами устройств.

Следовательно, каждый из обьектов заявленной группы изобретений соответствует требованию "новизна" по действующему за конодател ьству.

Сравнение заявленных решений с другими техническими решениями показывает, что тележки с приводами, разнесенными для движителей левого и правого бортов. известны. Сцепка, выполненная в виде телескопической штанги, которая связана с тележками с помощью карданных шарниров, и на которой установлены датчики угла и расстояния, является новым элементом.

Это же относится и к сцепке. выполненной в виде фала переменной длины, связанного с тележками посредством одностепенных вращательных шарниров. Сцепки указанной конструкции обеспечивают более полную адаптацию движителей каждой из сочлененных тележек к микрорельефу опорной поверхности, автономность движения тележек, более высокую маневренность тележек и ТС в целом. Кроме того, установка датчиков угла и расстояния на сцепке позволяет заменить сложные, ненадежные, с низкой помехозащищенностью датчики дистанционного принципа действия на более простые и надежные, например, потенциометрические, Усилительно-корректирующие блоки. сумматоры, ключи и трехпозиционный переключатель сами по себе известны. Однако введение указанной совокупности элементов, а также связей между ними и остальными элементами в заявляемую группу устройств обуславливает появление нового свойства — повышение маневренности, проходимости и устойчивости ТС при сравнительно простой реализации устройства для управления его движения.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для управления движением сочлененных ТТ из заявленной группы изобретений; на фиг,2 — схема движения сочлененных ТТ параллельными курсами; на фиг.3 и 4 — примеры выполнения сцепок; на фиг,5 — таблица с перечнем режимов движения тележек и соответствующих им состояний ключей устройства управления.

Объектом управления по предлагаемым техническим решениям (фиг,1) является ТС. состоящее из двух ТТ вЂ” головной 1 и последующей 2. сочлененных сцепкой 3. Тележки выполнены с приводами 4, 5, 6 и 7, разнесенными для движителей 8, 9, 10 и 11 левого и правого бортов тележек. Устройство для управления движением сЬчлененными TT по обоим техническим решениям содержит задатчики скорости 12 и направления 13 движения, датчик угла 14 между продольной осью ГГ и направлением на последующую, датчик угла 15 между продольной осью ПТ и направлением на головную, датчик расстояния (линейного перемещения) 16 между тележками, Все датники установлены на сцепке. Кроме того, устройство содержит три усилительно-корректирующих блока 17, 18 и 19, четыре сумматора 20, 21, 22. 23. семь ключей Кл.1, 2. 3, 4, 5, 6, 7 и трехпозиционный переключатель П. Причем УКБ 17 и !

8 включены на выходах датчиков угла 14 и

15, а УКБ 19 — на выходе датчика расстояния

16. Выходы сумматоров 20. 21, 22. 23 соединены со входами приводов 4. 5, 6, 7 соответственно. Входы сумматоров 20 и 21, относящихся к бортам ГТ 1 подключены через ключ Кл.! к выходу УКБ 17, через ключ

Кл.2 — к выходу УКБ 19. через ключ Кл.3 — к выходу задатчика скорости движения 12 и через ключ Кл.4 — к выходу задатчика направления движения 13. Входы сумматоров

22 и 23. относящихся к бортам ПТ, соединены через ключ Кл,5 с выходом УКБ 18, через ключ Кл.б — с выходом УКБ 19, через ключ

Кл.7 — с выходом эадатчика скорости движения 12 и через трехпозиционный переключатель П вЂ” с прямым, инверсным выходами задатчика направления движения 13 и шиной нулевого потенциала.

Согласно первому техническому решению (фиг,З) сцепка представляет собой телескопическую штангу 24, соединенную с тележками 1 и 2 посредством двух кардановых шарниров. каждый из которых в свою очередь состоит из двух одностепенных вращательных шарниров 25, 26 и 27. 28. соединенных поводками 29, 30, Наличие или отсутствие поводков определяется выбором мест крепления шарниров 25 и 28 на тележках. В шарнирах 25 и 28, оси вращения которых перпендикулярны опорным плоскостям тележек, установлены датчики угла 14 и 15. На сцепке установлен также датчик расстояния 16.

Согласно второму варианту выполнения (фиг.4) сцепка содержит фал.31, соединенный с тележками посредством одностепенных шарниров 25, 28 с поводками 29, 30. В осях укаэанных шарниров уста1823824

40

50 новлены датчики угла 14 и 15. Внутри поводков выполнены каналы, через которые пропущен фал. сматываемый с барабана 32.

Барабан связан с приводом в виде спиральной пружины 33, обеспечивающим возвратное движение фала, и через редуктор 34 — с ротором датчика угла 35, выходной сигнал которого пропорционален измеряемому расстоянию между тележками, Вместо пружины в качестве привода барабана может быть использован моментный электродвигатель, Итак, входящие в предлагаемую группу уСтройств для управления движением сочлененных ТТ элементы и связи между ними образуют четыре контура угловой стабилизации тележек по отношению к сцепке:

Датчик угла 14 — УКБ 17 — Кл.! — сумматор 20 — привод 4; — сумматор 21 — привод

5; датчик угла 15 — УКБ 18 — Кл,5 — сумматор 22 — привод 6; — сумматор 23 — привод 7, а также четыре контура стабилизации по дальности между тележками; датчик расстояния 16 — УКБ 19 — Кл.2— сумматор 20 — привод 4; — сумматор 21 — привод 5; — сумматор 22— привод 6; — сумматор 23 — привод 7.

Перечисленные контуры обеспечивают взаимную координацию движений тележек

ТС.

Для управления линейным и угловым движением сочлененных TT с приводами, разнесенными для движителей левого и правого бортов тележек, достаточно двух независимых управляющих сигналов, формируемых задатчиками скорости 12 и направления 13 движения ТС. Первый из них пропорционален требуемой линейной скорости ч центров масс тележек, а второй— требуемы и углам разворота тележек относительно сцепки, В этом случае управляющие сигналы на входах приводов правого и левОго бортов тележек равны

Ол = k vn = k (v + dv);

Un = k чл =- k (ч — dv), (1) где v, vn — скорости правого и левого бортов тележек;

dv — их полуразность;

k — коэффициент пропорциональности, Входящие в состав устройств ключи предназначены для изменения их структуры, что позволяет реализовать широкий спектр режимов согласоеанных движений тележек ТС. Перечень режимов движения тележек и соответствующее им состояние ключей приведен в таблице фиг.5, Рассмбтрим каждый иэ режимов в отдельности.

1, Режим движения ПТ по траектории головной.

Режим используется как основной. Задействованы все контуры стабилизации по углу и по дальности, С помощью эадатчиков

12 и 13 оператор формирует требуемую скорость движения тележек и углы их ориентации относительно сцепки. На остановках развороты тележек на требуемые углы происходят с угловой скоростью ф = 2 dv/Ь = (Un — Un)/(k О), (2) где Ь вЂ” колея тележек, Дальнейшее движение тележек может осуществляться как под управлением операторэ. так и автономно с выполнением следующих условий: чу = чп1 = чр. 0= Dp = consti А = — В = Ap, где чг, члт — скорости головной и последующей тележек;

А,  — углы между сцепкой и продольными осями ГТ и ПТ;

0 — значение расстояния между тележками в произвольный момент времени (фиг.2);

vo, Do. Ао — заданные значения параметров ч, D А.

Вариант Ао = О соответствует прямолинейному движению тележек ТС. Вариант

Ао = conts соответствует движению ТС по дуге окружности радиуса

R = чс 0/(2 dv), (3)

Угловая скорость разворота тележек при этом

Ф = чо/R = 2 dv/Ь, (4)

Радиус разворота R определяется как расстояние от центра масса тележек до точки пересечения перпендикуляров к их продольным осям. Наконец, вариант Ао — var соответствует движению ТС по произвольной криволинейной траектории.

В условиях действия кратковременных возмущений, приводящих к отклонению угловых положений тележек от заданных по отношению к сцепке, на выходах датчиков углов 14 и 15 появляются сигналы рассогласования, которые отрабатываются контурами угловой стабилизации тележек.

Благодаря этому повышается курсовая устойчивость ТС. так как сама сцепка при действии указанных возмущений свое угловое положение относительно опорной поверхности практически не изменяет.

Контуры стабилизации по дальности позволяют поддерживать заданное расстояние между тележками в изменяющихся условиях движения тележек. Тем самым исключается вероятность их случайного столкновения при сохранении возможности взаимного маневрирования. Сигнал рассогласования по дальности отрэбвтыва1823824

10 ется одновременно обеими тележками, Например, если в какои-То момент времени расстояние между тележками превысило заданное значение Оо. то система стабилизации па дальности уменьшает скорость 5 движения ГТ и одновременно увеличивает ее у ПТ.

2. Режим движения тележек параллельными курсами.

Отличие от предыдущего режима состо- 10 ит только в том, что сигнал с задатчика 13 направления движения подается на ПТ с обратным знаком (П в состоянии 2). Условия движения тележек близки к рассмотренным выше: 15 чтт = чпт =-чо. 0 = Dp, А = В = Ap.

Движение тележек параллельными курсатли с увеличенной колеей ТС повышает его боковую устойчивость в случае использования сцепки е виде телескопической штанги, 20 что существенно при движении по поверхности со сложным рельефом. Данный режим может оказаться полезным при управлении процессом сближения тележек мобильного робота с объектом совместной 25 работы их манипуляторов.

3. Режим силового взаимодействия тележек, Режим используется для преодоления препятствий. требующих суммирования тя- 30 говых усилий движителей обеих тележек.

При этом контуры стабилизации по дальности разомкнуты (Кл.2 и 6 разомкнуты). Контуры угловой стабилизации тележек затлкнуты (Кл. 1 и 5 замкнуты). Сигнал управ- 35 ления по скорости с задатчика 12 подается на обе тележки (Кл.3 и 7 замкнуты), а сигнал управления направлением движения с задатчика 13 подается только на ГТ (Кл.4 замкнут, П в состоянии то ). To-есть, движение 40 осуществляется с выполнением условий

v = vp =- vp, А = Ap, В = (0 = Оып — для варианта, когда ПТ толкает ГТ;

D=Dmax — для варианта, когда ГТ тянет 45

flT, а сцепка выполнена в виде штанги.

Реализация данного режима повышает проходимость ТС.

4, Режим движения с ведущей головной тележкой. 50

Из двух тележек ТС стабилизируется по углу и дальности только ПТ (Кл.5 и 6 замкнуты, а Кл.1 и 2 разомкнуты). Сигналы управления по скорости и направлению движения подаются только на ГТ (Кл.З и 4 замкнуты, 55 тогда как Кл.7 разомкнут, а П в состоянииС).

То есть, движители ПТ развивают тяговое усилие только в процессе компенсации рассогласований е контурах стабилизации по углу и дальности. Условия движения тележек следующие: чтт = чо, чпт = F (чо, А. 8)=О...vp, D= Оо, А=А; В =д

Режим интересен тем, что позволяет реализовать движение ГТ вокруг Т1Т с минимальным радиусом и без силового взаимодействия между ними. При этом ПТ отслеживает своей продольной осью направление на ГТ и совершает ограниченные поступательные движения в случае отклонения расстояния между ними от заданного значения.

5. Режим движения с ведущей последующей тележкой.

При его реализации преследуются те же цели, что и в предыдущем режиме. Отличие состоит е том, что в качестве ведущей используют не головную, а ПТ. Для его реализации достаточно поменять состояние первых семи ключей на обратные. а П перевести в состояние 1. Условия движения тележек формулируются таким образом: чтт = F (vp, А. В) = Р чо .чпт = чо: D= Оо, A=L В=Во.

6. Режим автономности головной тележки.

7. Режим автономности последующей тележки.

В режимах 6 и 7 обе тележки полностью автономны, все контуры стабилизации отключены (Кл.1, 2, 5 и б разомкнуты), Сигналы управления с эадатчиков скорости 12 и направления 13 движения подаются е режиме б только на ГТ. а в режиме 7 — только на ПТ (замкнуты либо Кл.3 и 4, либо Кл.7, а П в состоянии 1). Условия движения в режиме 6: чт = ч„; чпт =ьт: D — чаг;

A= A„; 8 — чаг, в режиме 7: ч . =- < ; чпт = чо; Π— var;

А — чаг; 8 = Во.

Данные режимы эффективны при прохождении ТС сложной траектории с резкими изменениями направления движения, что достигается последовательными автономными эволюциями тележек. Режимы полезны также при маневрировании одной из тележек в зоне работ, когда другая остается неподвижной, Расстояние между тележками в этом случае изменяется. Измеряя его с помощью датчика 16, а также измеряя c помощью датчиков 14 или 15 угловое положение сцепки относительно неподвижной тележки, можно существенно повысить точность позиционирования подвижной тележки в системе координат, связанной с неподвижной.

8, Режим автономности ГТ при включенных контурах управления по дальности ПТ.

1823824

В отличие от режима 6 замкнуты контуры управления по дальности ПТ (замкнут

Кл,6). При угле В не более 90 градусов ПТ, независимо от маневров ГГ, движется первоначальным курсом Ко, поддерживая одновременно заданное расстояние Do между тележками, При угле В > 90 градусов система стабилизации по дальности в данном режиме, становится неустойчивой. Условия движения тележек таковы;

vier = ч„; vier= F(vo, А, Вг= В ...чо. D= Оо.

А= А„;  — чаг: К= Ко.

Данный режим используется, в частности, для реализации траектории движения

ТС в виде ломанной линии путем последовательного выполнения тележками бортовых поворотов на фиксированные углы в точках излома траектории, Тем самым повышается маневренность ТС.

9, Режим автономности ПТ при включенных контурах управления по дальности

ГТ, Режим аналогичен предыдущему с той лишь разницей, что автономной является

ПТ, а сигнал управления по дальности подается на ГТ. Условия движения получаем в такой форме: ч т= F(vo, А, В = 6 " чо, чпт= чо, 0= 0о, А — чаг; В=Во, К=Ко.

Возможен комплекс перечисленных выше режимов при проходе ТС сложных участксв траектории. Покажем это на примере поэтапного прохода прямого угла в узком коридоре.

Этап 1. flp$lMoëèíå×íîå движение ТС с заданной скоростью в режиме 1 к точке излома траектории.

Выдача команды на останов ТС в момент достижения ГТ укаэанной точки.

Этап 2. Перевод ТС иэ режима движения 1 в режим 8.

Бортовой разворот ГТ на заданный угол.

Движение ГТ от точки излома траектории с заданной скоростью, а ПТ к точке излома со скоростью, определяемой из условия 0=0о.

Выдача команды на останов ТС в момент достижения ПТ точки излома траектории.

Этап 3. Перевод ТС иэ режима движения 8 в режим 9.

Бортовой разворот ПТ на заданный угол, Этап 4. Перевод ТС иэ режима движения 9 в режим 1.

Разгон и движение ТС с заданной скоростью от точки излома траектории.

Последовательность режимов движения ТС, параметры движения, моменты вы5

55 дачи функциональных команд выбираются оператором. В частности, в рассмотренном примере последовательность режимов дви. жения тележек может быть принята иной.

0 технической реализации элементов, входящих в предлагаемое устройство управления.

Задатчики скорости 12 и направления

13 движения могут быть выполнены в виде двух отдельных потенциометров или в виде устройства, состоящего из двух кинематически связанных между собой потенциометров с рукояткой ("джойстика"). Сумматоры представляют собой операционные усилители с дифференциальными входами. Усилительно-корректирующие блоки также легко реализуются по известным правилам на базе операционных усилителей и R — L—

С элементов в прямых цепях и цепях обратных связей. В качестве ключей могут использоваться известные электромагнитные или электронные реле, Простейшими вариантами реализации датчиков 14, 15 и 16 в предлагаемом устройстве управления могут быть потенциометрические датчики линейных и угловых перемещений, но возможно использование и других типов датчиков.

Экспериментальные исследования заявляемой группы устройств для управления сочлененными ТТ показали, что по сравнению с прототипом они обеспечивают более высокую маневренность, проходимость и устойчивость ТС (мобильного робота), позволяют реализовать движение в стесненных условиях по сложной траектории.

Данные свойства необходимы при выполнении работ в экстремальных условиях, исключающих присутствие человека, например на АЭС в аварийных и штатных ситуациях.

Следовательно. каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству. о

Формула изобретения

1. Устройство для управления движением сочлененных транспортных тележек, содержащее датчики угла между продольной осью одной тележки и направлением на другую тележку, датчик расстояния между тележками, задатчики скорости и направления движения, от лича ющеес я тем, что в него введены три усилительно-корректирующих блока, четыре сумматора. семь ключей и трехпозиционный переключатель, а сочленение тележек выполнено сцепкой в виде телескопической штанги, связанной с ними с помощью карданных шарниров, при этом датчики угла установлены в осях шар1823824

14 ниров, а датчик расстояния — на сцепке. первый и второй усилительно-корректирующие блоки включены на выходах датчиков угла, а третий — на выходе датчика расстояния, выходы сумматоров соединены с входами соответствующих приводов, разнесенных для движителей левого и правого бортов тележек. входы сумматоров, относящихся к бортам головной тележки, подключены через первый ключ к выходу первого усилительно-корректирующего блока, через второй ключ — к выходу третьего усилительно-корректирующего блока, через третий ключ — к выходу эадатчика скорости движения и через четвертый ключ— к выходу эадатчика направления движения, а входы сумматоров, относящихся к бортам последующей тележки, соединены через пятый ключ с выходом второго усилительнокорректирующего блока, через шестой ключ — с выходом третьего усилительно-корректирующего блока, через седьмой ключ — c выходом эадатчика скорости движения и через переключатель — с прямым. инверсным выходами задатчика направления движения и шиной нулевого потенциала.

2. Устройство по п.1. содержащее датчик угла между продольной осью одной тележки и направлением на другую тележку, датчик расстояния между тележками, эадатчики скорости и направления движения, о тл ича ю щее с я тем, что в него введены три усилительно-корректирующих блока, четыре сумматора, семь ключей и трехпозиционный переключатель, а сочленение тележек выполнено сцепкой в виде фала переменной длины. связанного с ними с по5 мощью одностепенных вращательных шарниров, при этом датчики угла установлены в осях шарниров. а датчик расстояния — на сцепке, первый и второй усилительно-корректирующие блоки включены на выходах

10 датчиков угла, а третий усилительно-корректирующий блок — на выходе датчика расстояния. выходы сумматоров соединены с входами соответствующих приводов, разнесенных для движителей левого и правого

15 бортов тележек. входы сумматоров, относящихся к бортам головной тележки. подключены через первый ключ к выходу первого усилительно-корректирующего блока, через второй клюя — к выходу третьего уеилитель20 но-корректирующего блока, через третий ключ — к выходу задатчика скорости движения и через четвертый ключ — к выходу эадатчика направления движения, а входы сумматоров, относящихся к бортам после25 дующей тележки, соединены через пятый ключ с выходом второго усилительно-корректирующего блока, через шестой ключ — с выходом третьего усилительно-корректирующего блока. через седьмой ключ — с выхо30 дом задатчика скорости движения и через переключатель — с прямым, инверсным выходами задатчика направления движения и шиной нулевого потенциала.

1823824

Фиг.2

1823824

Фni. 5

Составитель В.Вечканов

Техред ММоргентал Корректор (,Лисина

Редактор

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгороц, ул.Гагарина, 101

Закаэ 2190 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5