Исследование динамических характеристик голономного робота с колесами типа меканум на основе 3D параметрической имитационной модели

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.

1. Борисов, 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.

2. 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.

3. 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.

4. Изюмов, А. А. Моделирование системы управления движением мобильного робота / А. А. Изюмов // Сборник избр. ст. науч. сессии ТУСУР. 2020. № 1-1. С. 110–112.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.