satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2024-23-5-359-369sat-2803Research ArticleИНФОРМАТИКАINFORMATICSИсследование динамических характеристик голономного робота с колесами типа меканум на основе 3D параметрической имитационной моделиInvestigation of Dynamic Characteristics of Holonomic Robot with Mecanum wheels Based on 3D Parametric Simulation ModelРадкевичА. А.RadkevichA. A.

Магистрант

Минск

Minsk

ПавлюковецС. А.PauliukavetsS. A.

Кандидат технических наук, доцент

Адрес для переписки::Павлюковец Сергей Анатольевич –Белорусский национальный технический университет,ул. Б. Хмельницкого, 9,220013, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 293-95-61s.pauliukavets@gmail.com

Address for correspondence:Pauliukavets Siarhei A.–Belarusian National Technical University,9, B. Khmelnitsky str.,220013, Minsk, Republic of Belarus.Тел.: +375 17 293-95-61s.pauliukavets@gmail.com

s.pauliukavets@gmail.comБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202407102024235359369Copyright © Радкевич А.А., Павлюковец С.А., 20242024Радкевич А.А., Павлюковец С.А.Radkevich A.A., Pauliukavets S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2803

В статье проведен анализ динамических показателей четырехколесного мобильного робота, приводимого в движение всенаправленными колесами типа меканум. Для получения информации о его динамических характеристиках разработана компьютерная модель в программной среде блочного моделирования MATLAB Simulink, которая позволила исследовать поведение голономного мобильного объекта с колесами меканум в пуско-тормозных режимах, не только основываясь на его математической модели, но и учитывая массогабаритные параметры робота, внедренные в модель через интеграцию трехмерного цифрового прототипа исследуемого объекта. Изучение динамики всенаправленного робота рассматривалось в рамках моделирования разгона, равномерного движения и торможения объекта на плоскости по прямолинейной траектории. В результате получены зависимости кинематических, динамических и механических характеристик: угловой скорости и вращательного момента каждого колеса от времени, линейной скорости центра масс робота от времени, пройденного роботом пути от времени, ошибки позиционирования при отработке заданного перемещения, пространственной визуализации колебаний скорости. При помощи инструмента Mechanical Explorer с использованием интегрированного в модель цифрового клона исследуемого робота получена анимация движения объекта по траектории. Примененный подход, основанный на интеграции математической блочной и трехмерной параметрической моделей объекта с возможностью визуализации и анимации результатов, позволяет наиболее полно исследовать динамику и кинематику нелинейных мехатронных систем. Полученные данные об ошибках позиционирования и колебаниях скорости в трех координатах позволили сделать вывод о наличии случайных колебаний при движении робота, однако это не оказало заметного влияния на точность отработки заданной траектории.

The paper analyzes dynamic characteristics of a four-wheeled mobile robot driven by omnidirectional mecanum wheels. To obtain information about dynamic characteristics of the robot, a computer model was developed in the MATLAB Simulink block modeling software environment. The constructed simulation model allowed to research the behavior of a holonomic mobile object with mecanum wheels in start-braking modes, based not only on its mathematical model, but also ta-king into account the weight and size parameters of the robot, introduced into the model through the integration of a three-dimensional digital prototype of the object. The investigation of the omnidirectional robot dynamics was considered within modeling the acceleration, uniform movement and deceleration of an object on a plane along a rectilinear trajectory. As a result, the dependences of kinematic, dynamic and mechanical characteristics were obtained, such as the dependence of angular velocity and torque of each wheel on time; the dependence of linear velocity of the robot's center of mass on time; the dependence of distance traveled by the robot on time; positioning errors while processing a given movement; spatial visualization of speed fluctuations. With the help of Mechanical Explorer tool, using a digital clone of the robot integrated into the model, an animation of the object’s movement along the trajectory was obtained. This approach, based on the integration of mathematical block and three-dimensional parametric models of the object with the possibility of visualization and animation of the results, allows to most fully investigate the dynamics and kinematics of nonlinear mechatronic systems. The obtained information of positioning errors and speed fluctuations in three coordinates allowed to conclude that there were random fluctuations during the robot’s movement, but their presence did not have a noticeable effect on the accuracy of the specified trajectory.

мобильный роботвсенаправленное движениеколесо меканумголономный объектдвижение по траекторииимитационное моделированиепараметрическое моделированиецифровой прототипдинамические характеристикиmobile robotomnidirectional motionmecanum wheelholonomic objecttrajectory movementsimulation modelingparametric modelingdigital prototypedynamic characteristicsReferencesБорисов, А. В. Тележка с омниколесами на плоскости и сфере / А. В. Борисов, А. А. Килин, И. С. Мамаев // Нелинейная динамика. 2011. Т. 7, № 4. С. 785–801.Borisov A. V., Kilin А. А., Mamaev I. S. (2011) Trolley with Omni-Wheels on a Plane and a Sphere. Russian Journal of Nonlinear Dynamics, 7 (4), 785–801 (in Russian).Адамов, Б. И. Исследование динамики всенаправленной платформы при различных уровнях детализации моделей меканум-колес и контактных сил / Б. И. Адамов, А. И. Кобрин, Г. Р. Сайпулаев // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сб. трудов: в 4 т. Уфа: Башкирский государственный университет, 2019. Т. 1. С. 522–524.Adamov B. I., Kobrin А. I., Sajpulaev G. R. (2019) Investigation of the Dynamics of an Omnidirectional Platform at Different Levels of Detail of Mecanum-Wheel Models and Contact Forces. XII Vserossiiskii s’ezd po fundamental'nym problemam teoreticheskoi i prikladnoi mekhaniki: sb. trudov. T. 1 [12th All-Russian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and Applied Mechanics: Collection of works. Vol. 1.]. Ufa, Bashkir State University, 522–524 (in Russian).Адамов, Б. И. Идентификация параметров математической модели мобильной роботизированной платформы всенаправленного движения KUKA youBot / Б. И. Адамов, А. И. Кобрин // Мехатроника, автоматизация, управление. Т. 4, № 4. 2018. С. 251–258.Adamov B. I., Kobrin A. I. (2018) Parametric Identification of the Mathematical Model of the Omnidirectional Mobile Robot KUKA youBot. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 4 (4), 251–258 (in Russian).Изюмов, А. А. Моделирование системы управления движением мобильного робота / А. А. Изюмов // Сборник избр. ст. науч. сессии ТУСУР. 2020. № 1-1. С. 110–112.Izyumov А. А. (2020) Simulation of a Mobile Robot Motion Control System. Collection of selected articles of the scientific session of TUSUR, (1-1), 110–112 (in Russian).Patel, P. S. Dynamic Simulation Model for Different Type of Wheeled Mobile Robotic Drives on Leveled Surface / P. S. Patel, R. Trivedi // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1706. P. 108–117. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1706/1/012202.Patel P. S., Trivedi R. (2020) Dynamic Simulation Model for Different Type of Wheeled Mobile Robotic Drives on Leveled Surface. Journal of Physics: Conference Series, 1706, 108–117. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1706/1/012202.Li, Yu. Modeling and Kinematics Simulation of a Mecanum Wheel Platform in RecurDyn / Yunwang Li [et al.] // Journal of Robotics. Vol. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/9373580.Li Y., Dai S., Zheng Y., Tian F., Yan X. (2018) Modeling and Kinematics Simulation of a Mecanum Wheel Platform in RecurDyn. Journal of Robotics, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/9373580.Радкевич, А. А. Математическая модель управления движением мобильного робота с колесами всенаправленного типа меканум / А. А. Радкевич [и др.] // Доклады БГУИР. 2024. Т. 22, № 1. С. 82–90. https://doi.org/10.35596/1729-7648-2024-22-1-82-90.Radkevich А. А., Xinxin W., Velchenko А. А., Pauliukavets S. A. (2024) Mathematical Model of Motion Control of a Mobile Robot with Omnidirectional Mecanum Wheels. Doklady BGUIR, 22 (1), 82–90 (in Russian). https://doi.org/10.35596/1729-7648-2024-22-1-82-90.Nonuniform Dual-Rate Extended Kalman-Filter-Based Sensor Fusion for Path-Following Control of a Holonomic Mobile Robot with Four Mecanum Wheels / R. Pizá [et al.] // Applied Sciences. 2022. Vol. 12, No 7. P. 3560 https://doi.org/10.3390/app12073560.Pizá R., Carbonell R., Casanova V., Cuenca Á., Salt Llobregat J. J. (2022) Nonuniform Dual-Rate Extended Kalman-Filter-Based Sensor Fusion for Path-Following Control of a Holonomic Mobile Robot with Four Mecanum Wheels. Applied Sciences, 12 (7), 3560. https://doi.org/10.3390/app12073560.Павлюковец, С. А. К вопросу управления мобильным роботом с колесами всенаправленного типа / С. А. Павлюковец [и др.] // BIG DATA и анализ высокого уровня = BIG DATA and Advanced Analytics: сб. науч. ст. IX Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 17–18 мая 2023 г.: в 2 ч. / Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; редкол.: В. А. Богуш [и др.]. Минск, 2023. Ч. 2. С. 94–102.Pauliukavets S. A., Vel'chenko A. A., Sin'sin' U., Radkevich A. A., Savko N. O. (2023) On the Issue of Controlling a Mobile Robot with Omnidirectional Wheels. BIG DATA and Advanced Analytics: Collection of Scientific Articles of the 9th International Scientific and Practical Conference, Minsk, May 17–18, 2023. Part 2. Minsk, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 94–102 (in Russian).Abdelrahman, M. A Description of the Dynamics of a Four-Wheel Mecanum Mobile System as a Basis for a Platform Concept for Special Purpose Vehicles for Disabled Persons / M. Abdelrahman [et al.] // 58-th Ilmenau Scientific Colloquium – Shaping the Future by Engineering, Ilmenau, 2014.Abdelrahman M., Zeidis A. I., Bondarev O., Adamov B., Becker F., Zimmermann K. (2014) Description of the Dynamics of a Four-Wheel Mecanum Mobile System as a Basis for a Platform Concept for Special Purpose Vehicles for Disabled Persons. 58-th Ilmenau Scientific Colloquium – Shaping the Future by Engineering. Ilmenau.Hendzel, Z. Modeling of Dynamics of a Wheeled Mobile Robot with Mecanum Wheels with the Use of Lagrange Equations of the Second Kind / Z. Hendzel, J. Rykala // Int. J. of Applied Mechanics and Engineering. 2017. Vol. 22, No 1. P. 81–99. https://doi.org/10.1515/ijame-2017-0005.Hendzel Z., Rykała Ł. (2017). Modelling of Dynamics of a Wheeled Mobile Robot with Mecanum Wheels with the Use of Lagrange Equations of the Second Kind. International Journal of Applied Mechanics and Engineering, 22 (1), 81–99. https://doi.org/10.1515/ijame-2017-0005.Galati, R. Adaptive heading correction for an industrial heavy-duty omnidirectional robot / R. Galati, G. Mantriota, G. Reina // Scientific Reports. 2022. Vol. 12, Nо 1. Art. No 19608. https://doi.org/10.1038/s41598-022-24270-x.Galati R., Mantriota G., Reina G. (2022) Adaptive Heading Correction for an Industrial Heavy-Duty Omnidirectional Robot. Scientific Reports, 12 (1), 19608. https://doi.org/10.1038/s41598-022-24270-x.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.