Шагающий механизм тео янсена

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Фомин Алексей Сергеевич, Киселев Сергей Валерьевич, Олексенко Александр Викторович

Выполнен структурный анализ механизма Янсена , который применяется при создании шагающих машин и роботов. Определена подвижность механизма, выделены группы Ассура , входящие в его состав. Построена траектория движения выходного звена механизма, позволяющая определить его максимальные горизонтальное и вертикальное смещения. Проведенное исследование позволяет перейти к решению дальнейших задач кинематического и динамического анализа, а также может быть использовано при расчетах по оптимизации требуемого перемещения выходного звена механизма. Табл. 1. Ил. 2. Библ. 13.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Фомин Алексей Сергеевич, Киселев Сергей Валерьевич, Олексенко Александр Викторович

Текст научной работы на тему «Структурный анализ механизма Янсена»

_МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ_

А.С. Фомин, С.В. Киселев, А.В. Олексенко Сибирский государственный индустриальный университет

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ЯНСЕНА*

время одним из быстроразвивающихся направлений робототехники является разработка шагающих механизмов и роботов. Такие работы были начаты еще Леонардо да Винчи: в период 1495 — 1497 гг. он спроектировал и изготовил механическую лошадь, которая посредством установленных внутри ее каркаса механических передач могла совершать шагающие движения [1]. Далее в этом направлении важные результаты были получены П.Л. Че-бышевым, в 1850 г. им разработана стопоходящая машина [2]. Позже, в 1893 г. Л.А. Рэгг разработал механическую лошадь, в которой в качестве приводов использованы педали так что, всадник мог управлять лошадью, сидя в седле. Движение педалей через рычаги и шестерни передавалось на ноги лошади, которые совершали стопоходящие движения [3]. Эта разработка была запатентована в США [4].

Во второй половине XX века Д. Шигли разработал несколько типов роботов, основанных на плоских механизмах [5]. После этого, в 1968 г. Р. Мошер (General Electric) разработал четырехногую шагающую машину под названием «General Electric Quadruped» [6]. В 1980 г. Ш. Хироуз и Й. Уметани разработали четырехно-гий шагающий робот, в котором ноги выполнены в виде механизма пантографа [7, 8]. Этот робот в 2008 г. был модернизирован и в настоящее время применяется в качестве машины для сверления отверстий с целью укрепления крутых склонов для предотвращения оползней. В 1990 г. голландский художник и скульптор Т. Янсен создал одноподвижный механизм, реализующий шагающее движение [9]. При объединении нескольких механизмов в единую конструкцию получаются вполне работоспособные механизмы, которые под действием ветра самостоятельно передвигаются по горизонтальной поверхности. Сам Т. Янсен назвал эти конструкции «пляжными животными» (Strandbeest — перевод с нидерл.), так как они

Работа выполнена в рамках стипендии Президента Российской Федерации (код проекта СП-3755.2016.1).

способны передвигаться по песчаным пляжам под воздействием ветра. Из других типов шагающих механизмов стоит отметить системы, разработанные Джо Кланом в 1994 г. [10] и Амандой Гассэ в 2011 г. [11] на основе плоских кинематических цепей.

Читайте также:  Если слышишь стук сердца в ушах

В настоящей работе проведен структурный анализ механизма Янсена, а также определена траектория движения его выходного звена.

Структурный анализ механизма Янсена

Одним из преимуществ шагающих роботов, созданных на основе механизма Янсена, является возможность установки единственного привода, что позволяет иметь относительно небольшую массу конструкции при получении разных траекторий движения ноги робота. Для проведения структурного анализа механизма Янсена рассмотрим кинематическую схему (рис. 1).

Ведущее звено выполнено в виде кривошипа 1, передающего движение шатунам 2 и 3, которые, в свою очередь, соединены с трехпарным коромыслом 4 и выходным звеном 7; шатуны 5 и 6 установлены между звеньями 4 и 7. Все подвижные звенья механизма установлены на

Рис. 1. Кинематическая схема механизма Янсена

Рис. 2. Траектория движения выходного звена механизма

Янсена (обозначения звеньев те же, что и на рис. 1)

неподвижном звене-стойке 8. Все звенья механизма соединяются между собой одноподвиж-ными кинематическими парами пятого класса. В соответствии с формулой П.Л. Чебышева [12, 13] Ж = 3п — 2р5 — р4, (где Ж — подвижность механизма; п — количество подвижных звеньев; р -количество неподвижных пар). Подвижность W механизма при п = 7 и р5 = 10 составляет 1. Такой результат гарантирует определенность движения всех звеньев системы при единственном входном движении.

Структурно механизм включает в свой состав ведущее звено, кривошип (Ж = 1) и три группы Ассура, выполенные в виде диад ВВВ, образованных звеньями 2 — 4, 3 — 6 и 5 — 7, для них Ж = 0. На схеме механизма (рис. 1) выделены указанные группы звеньев нулевой по-

движности. Таким образом, подвижность всего механизма может быть также определена путем сложения подвижностей всех кинематических цепей, входящих в состав механизма, и подвижности ведущего звена.

Анализ траектории движения выходного звена механизма

Обратимся к нахождению траектории движения выходного звена 7 механизма. Определим все положения точки А за полный поворот кривошипа 1. На рис. 2 показана траектория движения этой точки, построенная по 12 положениям, координаты которых приведены в таблице. Полученная траектория представляет собой плоскую кривую, в которой с 4 по 9 положения вертикальная координата у неизменна, то есть в этой области траектория представляет собой прямую линию. В положениях 3 и 10 есть незначительные вертикальные смещения. Это доказывает целесообразность применения этого механизма для создания шагающих систем. При изменении длин звеньев механизма могут быть уменьшены или увеличены как вертикальное, так и горизонтальное смещения выходного звена 7.

Выводы. В результате проведенного структурного анализа механизма Янсена были определены группы Ассура, входящие в его состав, а также общая подвижность механизма. Определена траектория движения выходного звена механизма, позволяющая определить его максимальные горизонтальное и вертикальное смещения. Полученные данные могут быть использованы при решении дальнейших задач кинематического и динамического анализа, а также при расчетах по оптимизации перемещения выходного звена механизма.

Читайте также:  Используя код цезаря закодируй данное слово дождь

Координаты точки А выходного звена 7 механизма

Тео Янсеннидерл. Theo Jansen Имя при рождениинидерл. Theodorus Gerardus Jozef JansenДата рождения17 марта 1948 ( 1948-03-17 ) (72 года)Место рожденияГаага, Нидерланды Гражданство Нидерланды Род деятельностихудожник и скульпторНаграды и премии

Те́о Я́нсен (нидерл. Theo Jansen ; 17 марта, 1948, Гаага, Нидерланды) — нидерландский художник и кинетический скульптор. Известен своими особыми кинетическими скульптурами, напоминающими скелеты животных, способными передвигаться под воздействием ветра по песчаным пляжам. Янсен называет эти скульптуры «животными», «созданиями», «искусственными формами жизни». При их создании автор использовал генетические алгоритмы, которые симулируют эволюцию биологических видов. Генетические алгоритмы могут быть изменены для решения различных проблем, включая создание комплексных систем.

Содержание

Strandbeest [ править | править код ]

С 1990 года Янсен создает движимых ветром «пляжных животных» (нидерл. Strandbeest; strand = пляж; beest = зверь), которых сам он считает примером искусственной жизни. Вначале автором была создана первичная, зачаточная «порода», которая затем развивалась методами эволюционного моделирования. [1] От поколения к поколению механизмы совершенствуются и «адаптируются» к условиям песчаного пляжа, куда Янсен «выпускает» их. Текущее (2015 год) поколение скульптур — это достаточно сложные структуры, способные взаимодействовать с окружающей средой, в том числе, реагировать на её изменения.

«Со временем эти скелеты стали значительно лучше выдерживать воздействие сильного ветра и воды и, в конце концов, я хочу вывести стада этих животных на пляжи, чтобы они жили своей собственной жизнью».

Янсен, говоря о своих работах, намеренно использует биологические метафоры, подчеркивая своё видение, что механизмы почти обладают характеристиками живых организмов, с точки зрения движения и простейшей способности к принятию решений.

Скульптуры изготавливаются из ПВХ-труб и ткани, образующей аэродинамические поверхности, и представляют собой сложные конструкции с точно выверенными размерами. В некоторых моделях присутствуют батареи пластиковых бутылок в качестве пневматических аккумуляторов энергии. Для передвижения используются характерные шагающие механизмы, которые на песчаной поверхности оказались, по словам автора, более эффективными, чем колеса. [2]

«Создания» приводятся в движение ветром. Дополнительно имеется возможность аккумулировать давление воздуха и использовать его для движения в отсутствие ветра:

«Есть крылья, двигающиеся вверх и вниз под действием ветра, и есть соединенные с этими крыльями насосы, которые закачивают воздух под высоким давлением в бутылки. Сжатый воздух может приводить в движение мускулы — «лыжные палки», которые приподнимают животное и помогают протолкнуть его по рыхлому песку». [3]

. а также для работы систем управления:

«Мускулы могут открывать вентили, чтобы активировать другие мускулы, которые могут открывать другие вентили, и так далее. Так создается центр управления, который можно сравнить с мозгом». [4]

Более сложные творения Янсена могут распознать свое попадание в воду и выйти из неё. Существует модель, способная распознать приближающийся шторм и закрепиться на поверхности.

Кинематика механизма конечности в скульптурах Тео Янсена [ править | править код ]

Автором была выбрана кинематическая схема конечности, имеющая 1 степень свободы и состоящая из 7 подвижных звеньев (5 отрезков и 2 треугольника).

Конкретная геометрия такой конечности может быть полностью описана с помощью 13 чисел, однако, большинство комбинаций этих чисел не дадут необходимой траектории движения точки опоры. Для поиска удовлетворительной комбинации этих чисел применён метод генетического моделирования. Одним из критериев отбора экземпляров при генетическом моделировании является максимальная прямолинейность движения корпуса, что привело к появлению достаточно протяженного близкого к прямолинейному участка на траектории движения точки опоры (обозначена на схемах красным).

Движение нескольких конечностей синхронизируется присоединением их кривошипов к единому валу (обозначено зеленой окружностью).

Отдельная конечность в движении

Указаны значения «генов» — соотношения длин отрезков. Отрезки a и l принадлежат корпусу. Кривошип m одним концом прикреплен к корпусу и совершает вращательные движения. Траектория точки опоры (обозначена красным) имеет участок, по форме близкий к прямой линии.

Шесть ног в движении. В каждый момент времени 4 точки опоры контактируют с поверхностью.

Войти

Шагающие скульптуры Тео Янсена

Тео Янсен (Theo Jansen) нидерландский художник и кинетический скульптор. Он строит огромные сооружения, напоминающие скелеты животных, которые способны передвигаться под воздействием ветра по песчаным пляжам. Янсен называет эти скульптуры «животными» или «созданиями».

Скульптуры Янсена можно встретить на пляжах Нидерландов. Кто-то называет их «пляжными монстрами», а кому-то они напоминают о Доне Кихоте и его ветряных мельницах. Сам Янсен говорит, что это «новые формы жизни».

Каждое поколение «детей» Янсена, носящих название «Strandbeests», эволюционирует, их движения становятся все более уверенными и твердыми. Его последние создания способны уже не просто ходить, а еще и реагировать на тип грунта — роботы определяют сыпучие пески и ручейки, так как в этих местах они могут застрять.

«Дышать» пляжные монстры научились уже давно — при достаточной силе ветра излишки давления воздуха сохраняются в специальных резервуарах-легких. Даже когда наступает полный штиль, движение не останавливается: роботы расходуют заранее запасенную энергию. А при приближении слишком сильных порывов ветра, способного унести конструкцию, фигура выкидывает якорь, при помощи которого цепко держится за грунт.

Оригинал взят у storytellersha в Шагающие механизмы Тео Янсена

Читайте также:  Настройка dir 300 в режиме повторителя