SOLIDWORKS Motion - Дизайн подвески

  1. SOLIDWORKS Motion
  2. суммирование

Моя магистерская работа заключалась в разработке мехатронной подвески для платформы мобильного робота, которая может перемещаться по неровной местности и преодолевать городские препятствия, такие как лестницы или бордюры. Платформа должна была быть спроектирована так, чтобы она могла быть изготовлена ​​как механически, так и электронно (система управления) - короче говоря, она должна была быть практичной . Это сводилось к использованию минимального количества линейных и поворотных приводов. Задача не из легких, в повседневной жизни мы не понимаем, насколько сложно (с учетом современного состояния техники) строить и контролировать человеческие ноги, которые легко преодолевают большинство из упомянутых препятствий.

Потратив значительное количество времени на просмотр и сравнение свойств роботов с колесным, гусеничным, ползущим и гибридным рельефом местности, наиболее практичной идеей, похоже, была идея робота с круговым колесом. Замечательно, что на ровной местности робот может передвигаться на колесах, которыми относительно легко управлять, но когда вам нужно преодолеть препятствие, которое превышает половину диаметра колеса - система ходьбы решает проблему. Конечно, я не первый, кто придумал это, было создано много подобных проектов такого типа.

Одной из самых интересных оказалась конструкция - мой промоутер (а я его не пишу, потому что он был моим промоутером) - управление конечностью ограничивалось двумя приводами (возможность перемещения на 2D-плоскости), что не является особенным, оно особенное однако кинематическая структура самой конечности - при сохранении определенных геометрических условий только одного привода достаточно для выравнивания платформы.

Я решил использовать этот тип конечности в моем дизайне. Что я упустил в этой подвеске - это пассивная часть, не требующая питания, которая без участия системы управления позволит преодолевать неровности местности. Идея заключалась в том, что эта пассивная часть будет работать с меньшим неравенством, в то время как у более крупных будет активная часть, требующая накопителей и питания. Мне понравилась идея такой гибридной подвески. В качестве пассивной части я решил использовать рокер ( полярный ) механизм. Такая 4-х колесная платформа с пассивной и активной частью казалась хорошим решением. Однако, чтобы иметь возможность четко определить это, были необходимы тесты. Необходимо было протестировать как пассивную, так и активную части подвески.

Необходимо было протестировать как пассивную, так и активную части подвески

Эскиз взят из книги Пола Э. Сандина "Роботизированные механизмы и механические устройства"

Такие тесты могут быть выполнены путем создания физического прототипа, который будет занимать много времени и потреблять много ресурсов и энергии, второй вариант заключается в выполнении цифрового моделирования. Конечно я определился со вторым вариантом. Для большинства моих исследований я принимал участие в студенческих проектах, где мы в основном использовали SOLIDWORKS как инструменты CAD , В качестве одного из дополнительных модулей имеется модуль Motion, используемый для динамического и кинематического анализа.

SOLIDWORKS Motion

Модуль Motion основан на программном обеспечении ADAMS , которое является одной из самых передовых сред для динамического анализа, доступных на рынке. SOLIDWORKS Motion может быть не таким обширным, но оно позволяет вам многое делать, чего в большинстве инженерных приложений будет достаточно. Пользователь получает возможность назначения приводов (линейных и поворотных), использование пружин и амортизаторов между компонентами, возможность воздействовать силой или крутящим моментом на заданный элемент. Кроме того, вы можете назначить контактные свойства между элементами (трение, упругие свойства ) и учесть гравитацию в нашей тестовой среде (вы даже можете определить величину ускорения, поэтому, если кто-то захочет смоделировать посадку на Марс или другую планету - нет проблем). Мы можем все изменить во времени (значения сил и моментов, их активация и деактивация, изменение направления), а затем генерировать смещение, силу, моменты ... графики, достаточно? Я так думаю По крайней мере, для моего приложения этого было достаточно.

Из технических вопросов стоит отметить, что пользователь получает 3 модели для расчета шага интеграции. Выбор правильного зависит от количества элементов, взаимодействующих друг с другом в тесте (больше - вы должны выбрать более точный, вычисления потребуют больше времени), вы также можете вручную определить максимальный и минимальный шаг интеграции - у нас есть возможность влиять на работу самого решателя.

После определения допущений и размеров проектируемой платформы - пришло время выбирать диски, в том числе те, в конечностях. В поисках информации в Интернете о модуле Motion у меня сложилось впечатление, что программное обеспечение используется в первую очередь на практике. Неудивительно, что для такого анализа требуется несколько щелчков мышью. С простыми геометриями это может быть не так заметно (простых вычислений на уровне физики в старшей школе достаточно), но с более сложными - это экономит много времени при выборе диска.

Для того, чтобы провести тест подвески - модель должна быть подготовлена ​​для этой цели. Имея концепцию платформы, пришлось составить ее упрощенную модель с учетом массы отдельных деталей. Чем проще элемент для анализа (как с точки зрения геометрии детали, так и количества связей), тем лучше он будет обеспечивать более быстрый анализ и меньше проблем при его выполнении.

Чем проще элемент для анализа (как с точки зрения геометрии детали, так и количества связей), тем лучше он будет обеспечивать более быстрый анализ и меньше проблем при его выполнении

Платформа должна была быть оснащена 4 пневматическими колесами. Однако трудно воспроизвести поведение такого круга в виртуальном мире, где каждое твердое тело рассматривается как жесткое. Было много научных работ на эту тему, в том числе [ Многотельный системный подход к динамике транспортных средств , Майк Бланделл и Дамиан Харти], поэтому я принял модель Фиала для своих симуляций. Это было достигнуто путем ввода значения упругих свойств контакта колес с землей.

Это было достигнуто путем ввода значения упругих свойств контакта колес с землей

Существенным элементом модели является подложка, по которой должно двигаться транспортное средство. С отдельными тестами они были разными, поэтому было очень удобно использовать возможность использования разных конфигураций одной детали, которая была просто подложкой. Это было удобно из-за того, что достаточно было один раз определить контакты с землей, а затем захотелось изменить тип препятствий, которые он сводил до трех щелчков внутри сборки.

После того, как все было готово, вы можете приступить к симуляции подвески. При моделировании преодоления препятствий наиболее интересным был наклон, который испытывает платформа во время движения, она также была испытана. Каждый тест начинался со стабилизации модели. Он заключался в том, что платформа в начальный момент находилась над землей (около 100 мм). Конечно, в симуляции была учтена сила тяжести, поэтому сразу после начала симуляции колеса платформы коснулись земли. Это должно было проверить правильный контакт между колесами и землей. Кроме того, приводы колес были включены только через 4 секунды - просто для стабилизации модели.

В ходе исследования возникла еще одна проблема - для воспроизведения реальных условий в поле препятствия для левого и правого колес различались по расстоянию, которое они имели, и по размеру. Это означало, что транспортное средство явно имело тенденцию поворачиваться во время теста. Приводы колес были установлены на одну скорость, имитационная модель не обеспечивала активной коррекции колеи путем поворота колес, из-за чего платформа выпадала из нее. Чтобы получить реальные результаты, нельзя просто установить фиксированное расстояние до одной стороны дорожки и одной поверхности платформы. Это приведет к отсутствию свободы вращения платформы относительно оси ее крена . Решением было добавить две дистанционные связи между двумя точками, лежащими на одной прямой линии, и боковой поверхностью дорожки. Считалось, что это повлияет как минимум на результаты испытаний.

С учетом всего вышесказанного, симуляция была начата. Основное внимание было уделено изучению различий между применением подвески без и с системой качания (исследование было направлено на выявление чувствительности сложности конструкции с помощью механизма такого типа). Помимо создания графиков, программное обеспечение также предоставляет возможность экспорта результатов в формат .csv - формат электронных таблиц. Это очень удобно, если необходимо обработать результаты, представить их, сравнить с предыдущим экзаменом и т. Д.

Каждый студент и выпускник технических вузов знает, как много можно сделать с такими результатами. Казалось бы, чтобы реализовать два типа симуляции, нужно использовать две разные модели - ну, нет. Благодаря правильному построению модели (вместе с ее связями) переход от одного типа (с механизмом качания) к другому (без этого механизма) состоял в включении или отключении одной из связей.

Сделав несколько попыток с разными треками (препятствиями разных размеров), можно собрать результаты и сделать сравнительный анализ. Ниже приведена одна из пар результатов. Можно попытаться сказать, что вы можете увидеть улучшение, когда механизм качания разблокирован, но принимая во внимание сложность конструкции - смысл ее использования в этой конструкции становится сомнительным. Несомненно, это позволяет вам преодолевать большие препятствия, но с активной частью в вашем распоряжении - вы можете использовать ее, чтобы победить их.

Примерная пара результатов моделирования, скорость 8 км / ч

В дополнение к тестам пассивной части были также проведены тесты активной части подвески для проверки алгоритмов ходьбы. Это может быть реализовано в простой форме в модуле Motion - благодаря использованию так называемого событийное движение. Это зависит от того, что мы можем реализовать движение в зависимости от наличия определенных датчиков, например, если расстояние, измеренное датчиком, будет меньше указанного - выполните операцию, после того как она может быть выполнена другим ... и так далее.

и так далее

Эта опция позволила проверить, как робот может справляться с препятствием в виде бордюра, имеющего высоту, превышающую диаметр колеса. Это также позволило оценить время, необходимое платформе для преодоления этого препятствия. Предполагая использование электрических линейных приводов, преодоление препятствий такого типа займет ... 86 секунд . Немного долго

суммирование

Подводя итоги в целом - модуль SOLIDWORKS Motion позволяет проводить множество анализов. Наконец, с учетом дополнительных факторов, не упомянутых в этой статье, я пришел к выводу, что предложенное мной изменение не выгодно. Мне помогли в описанных симуляциях, благодаря которым это стало возможным без прототипа платформы. Наконец, я хотел бы отметить, что представленный модуль имеет некоторые недостатки, которые усложняют жизнь, но, по моему опыту, у каждого программного обеспечения есть некоторые недостатки, о которых вам просто необходимо знать. Однако, если вы собираетесь использовать этот модуль для разработки всевозможных механизмов - думаю, вы останетесь довольны.

Хотите написать статью о том, как вы использовали программное обеспечение SOLIDWORKS в своей работе? Напишите нам на маркетинг (в) dps-software.pl

Если мы опубликуем вашу статью, вы получите один бесплатный тренинг и пропуск на DPS Forum 2017 от нас!