2017АрхиповаАС

 

Презентация исследования посвященного изучению свойств шарниров с гибкими элементами – аналогами наружных связок и ligamentum capitis femoris (LCF). Тема явилась развитием первого проекта: Мобильные биоморфные платформы с аналогами алгоритмов естественных локомоций (2014).

 Изучение свойств шарниров с гибкими элементами для биоморфной шагающей техники

Архипова Александра Сергеевна

АОУ Лицей научно-инженерного профиля

Московская область, г. Королёв

Глубокоуважаемый Председатель, высокий Президиум, Дорогие друзья! Вашему вниманию предлагается доклад о проведенном нами исследовании, посвященном изучению свойств шарниров с гибкими элементами для биоморфной шагающей техники.

Проблема перенаселения земли, ухудшения экологической обстановки, истощения природных ресурсов всегда остается актуальной. Человечество рано или поздно будет вынуждено переселиться на другие планеты. Учёные с помощью современных технологий, в том числе радиотелескопов, открыли множество новых планет, среди которых есть предполагаемые для развития жизни. 

Роботизированная техника незаменима при исследовании космического пространства, она сможет заменить человека при работе в неблагоприятных и опасных условиях. 

Наибольшей проходимостью обладает шагающая техника, поэтому биоморфные роботы имеют наибольшие перспективы своего научного применения в космосе.

При подготовке к реализации своего проекта, я поставила цель исследования: изучить свойства шарового шарнира с гибкими элементами и его влияние на перемещение биоморфной шагающей платформы. Также был выделен ряд задач, которые представлены на слайде 

По аналогии с реальным тазобедренным суставом человека, нами разработан: шарнир с гибкими элементами, стенд для его испытаний и прототип антропоморфной шагающей платформы. Данные технические решения подробно описаны в наших заявках на изобретения. 

Прототип антропоморфной шагающей платформы сконструирован по аналогии с поясом нижних конечностей человека. Важнейшими его элементами стали тазобедренный и коленный шарниры, близкие по своему устройству к одноименным суставам человека. Их конструкции имели аналоги связок - гибкие нерастяжимые элементы, аналоги мышц - витые пружины и аналоги сухожилий - гибкие тяги. Кормовая часть платформы была снабжена прототипом устройства рекуперации энергии. 

Одной из задач исследования являлась разработка условных обозначений шаровых шарниров с гибкими элементами для ГОСТа и их классификация. В технике известны разъемные и неразъёмные шаровые шарниры, которые различаются амплитудой вращательных движений. Поэтому и шарниры с гибкими элементами поделены на эти группы. В каждой группе выделены следующие признаки: шарнир содержит внутренний гибкий элемент, внешний или элементы двух видов сразу. 

Используя введённые нами условные обозначения, разработан чертёж прототипа антропоморфной шагающей платформы, разработанной нами, а также чертёж прототипа биоморфной шагающей платформы, находящийся только в стадии проектирования. 

По точкам графиков движения общего центра масс антропоморфной шагающей платформы были написаны уравнения зависимости координат друг от друга для сагиттальной, горизонтально и фронтальной плоскостей. В таблице приведены координаты каждой точки графика. Все уравнения квадратные, так как кривые перемещения общего центра масс в каждой плоскости являются параболическими. Все измерения производились в мм. 

Была написана система из трех уравнений, описывающая зависимость времени от координаты точки по осям OX, OY и OZ для пространственной кривой движения общего центра масс в одноопорном периоде шага. Было принято, что путь от точки до точки общий центр масс проходит за 0,03 с. 

Прежде чем сконструировать прототип антропоморфной шагающей платформы, нами разработана её плоскостная модель. На ней отработана система нерастяжимы тяг, кронштейнов и блоков, выбраны места расположения голеностопного и коленного шарниров, которые являются аналогами петлевых шарниров. 

На стенде мы смоделировали движения кормовой части шагающей платформы в различные фазы одноопорного периода шага. В начале одноопорного периода шага внутренний гибкий элемент тазобедренного шарнира не натянут, вес платформы воздействует на шаровую головку только сверху, а привод ее удерживающий, развивает максимальное усилие. По мере натяжения внутреннего гибкого элемента, нагрузка на привод уменьшается, а нагрузка на шаровую головку воздействует как сверху, так и снизу. В конце одноопорного периода шага, кормовая часть платформы удержана только за счет натяжения внутреннего гибкого элемента, без участия силового привода, нагруженной оказывается только нижняя часть шаровой головки. Следовательно, использование гибких элементов в шарнире позволяет уменьшить износ пар трения, распределяя нагрузку на поверхности шарнира равномерно. 

В экспериментах на испытательном стенде, ставшим прототипом кормовой части шагающей платформы, выявлен ряд ранее неизвестных эффектов функционирования шарнира с гибкими элементами. Установлено, что при натяжении отклоненного от вертикали внутреннего гибкого элемента возникает усилие, способное переместить кормовую часть шагающей платформы вперед. При этом, кормовая часть может совершать колебательное движение под действием собственного веса подобно маятнику. 

Экспериментально доказанным фактом является то, что в середине одноопорного периода шага сила реакции опоры между стопой педипулятора и поверхностью уменьшается примерно на 10-20%. Существуют различные теории, объясняющие этот эффект, например, что он вызван центробежной слой, возникающей при движении корпуса по дуге относительно опорной ноги человека. 

Замечено, что у людей, в тазобедренном суставе которых отсутствует связка, сила реакции опоры не уменьшается. Исходя из этого мы выдвигаем новую теорию объяснения этого явления. В начале одноопорного периода шага на связку в её точки прикрепления к гнезду сустава действует сила тяжести mg, направленная вниз, сила реакции гибкого элемента Fr, направленная к точке крепления к головке сустава. Их результирующей силой является Ft, она направлена по касательной к сфере сустава, из-за нее происходит перемещение кормовой части вниз по дуге. Достигнув нижней точки, центростремительная сила становится максимальной, на связку продолжает действовать сила тяжести, противоположно ей направленная. Именно центростремительная сила компенсирует действие силы тяжести, их результирующая сила – сила реакции опоры, становится по модулю меньше действующей силы тяжести. Прототип антропоморфной шагающей платформы создан по аналогии с поясом нижних конечностей человека, поэтому описанные свойства применимы к нему. Также на слайде представлена траектория движения точки крепления к гнезду шарнира внутреннего гибкого элемента. 

Выводы нашего исследования представлены на слайде, разрешите их не зачитывать. 

Биоморфная шагающая техника с использованием в её конструкции шарниров с гибкими элементами, благодаря своим свойствам, будет незаменима при исследовании поверхности Марса с его зыбучими песками, Энцелада с ледяной поверхностью, Титана с его углеводородными озёрами и Луны, покрытой рыхлым реголитом. 

Спасибо за внимание! 

Доклад получил высокие оценки жюри на научных конференциях и Олимпиадах школьников в ведущих университетах г. Москвы. 

Цитирование:

Архипова АС. Изучение свойств шарниров с гибкими элементами для биоморфной шагающей техники. Презентация доклада. Москва, 2017.

Ключевые слова:

шагающая машина, шаровой шарнир, шарнир с гибкими элементами, ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, круглая связка

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

 Механика и робототехника