Последовательность кулачковых опор в шагающем планетоходе-гусенице

При проектировании «Лунохода» было очень много споров о принципе движения. Предлагались и колёса, и шагающие устройства, и гусеницы. Каждый механизм имеет преимущества по сравнению с другим, но одновременно обладает недостатками. Например, колесо может буксовать, гусеница порваться, шагающая опора споткнуться о препятствие. Учитывая это, появилась идея создания более универсального движителя, сочетающего в своей конструкции преимущества колеса, гусеницы и шагающей опоры. Первые авторские опыты по созданию такой машины позволили предложить принципиально новый вид движения – шаг с одновременным качением. Была создана специальная кулачковая опора для установки на шагающий механизм. Дальнейшие исследования показали, что есть смысл установить множество кулачковых опор. Конструкция стала напоминать живую гусеницу – это принцип бионики.
Более чем трёхлетний опыт работы с шагающими механизмами заставил задуматься над биологическими особенностями такого способа передвижения. Какие бы шагающие механизмы не применялись, всегда есть недостаток в виде ограниченной проходимости машины. Ползающее движение в природе тоже часто является шагающим, но только с микрошагами. При ползающем движении не должно быть отрыва от поверхности, одна часть тела или конструкции подтягивается к другой. Появился вопрос: «Гусеница ползает или шагает?» Объектом исследования является кулачковая шагающая машина с механизмом с одной степенью свободы. Оказалось, что моделировать даже простейшее движение очень сложно, не говоря об изгибах живой гусеницы и даже обычного изменяемого шага. Живая гусеница способна оптимально изогнуться, чтобы переползти через травинку, но даже современные суперкомпьютеры не могут заранее определить изгиб насекомого. В этой работе вопросы управления движением не изучаются. Задача сводится к механическому моделированию живой природы, то есть реализации принципов бионики – переноса свойств живых организмов на космическую и бытовую технику. Цель работы - увеличить устойчивость и проходимость уже созданной авторской кулачковой шагающей машины, на которой четыре опоры, но опорными постоянно являются две. При изготовлении первого аналога сразу было предусмотрено установить 8 кулачковых опор. Но получалось такое нагромождение рычагов, что для опор не было места, машина становилась очень широкой. В процессе работы появилась новая идея – делать конструкцию не шире, а длиннее - вот откуда появилось предложение посмотреть на живую гусеницу. Для достижения цели работы были сформулированы три задачи исследования: обеспечить не менее чем трёхточечную опору, устранить раскачивание машины, распределить нагрузку вдоль длины корпуса кулачковой шагающей машины. Новая схема была разработана на основе чертежа из старинного журнала «Моделист-конструктор», номер которого установить не удалось. На кинематической схеме механизма главное - это совмещение известных механизмов, из журнала и авторского, с новым техническим решением – параллелограммом и отверстиями для крепления множества кулачковых опор в механизме-гусенице, на который подготовлена заявка на патент на изобретение.
В журнальной статье автор предложил схему продольного переноса шагающей опоры. В эту схему отлично вписывается установка множества кулачковых шагающих опор, как у гусеницы. Во-первых, горизонтальные шатуны двойного параллелограмма можно сколь угодно удлинять в обе стороны, лишь бы соблюдались требования прочности и жёсткости конструкции. Во-вторых, на горизонтальные шатуны можно устанавливать сколь угодно много пассивных боковых рычагов параллелограмма. В-третьих, достаточно просверлить отверстия на горизонтальных шатунах для установки кулачковых шагающих опор. Сначала была изготовлена работающая первая, проверочная модель отдельного механизма-гусеницы с тремя кулачковыми опорами. Затем была собрана и испытана шагающая машина-гусеница. Первые испытания не столько порадовали, сколько озадачили. Опять надо вернуться к теории. Дело в том, что первый аналог, кулачковый шагоход, не то что ходил, а бегал. Напротив, аналогичная машина «Гусеница» движется медленно. Базовый размер у «Васьки» по кривошипу 100 мм, у «Гусеницы» 60 мм. Замедление должно быть в 1,7 раза, но сразу видно, что замедление намного больше. Почему? Ответ на этот вопрос даст следующая машина, планируемая через год, а может, и раньше. Пока можно только теоретическую гипотезу выдвинуть. А.А.Скворцова подробно, теоретически и практически, исследовала шагающую траекторию. Траектория шага симметрична. Но в кулачковой опоре на шаг накладывается качение части колеса. При развороте механизма угол наклона шатуна другой, смежный. Сохраняется ли симметрия угловой скорости вращения при таком развороте? Симметрия траектории не влечёт симметрии движения по ней точки. Это вопрос для перспективы. А пока надо максимально подробно изучить то что есть. Академик Юлий Борисович Харитон говорил: «Мы должны знать о явлении в десять раз больше, чем нужно для непосредственного использования». В машине-гусенице есть проскальзывание опор, которое надо устранить. Это цель создания следующей машины-гусеницы, более скоростной, не самоторомозящейся. Машина собрана, испытана, но вопросов много.
Выводы.
1. Доказана возможность создания кулачковой шагающей машины типа гусеницы.
2. Увеличение числа опор повышает устойчивость кулачкового шагохода.
3. Опоры смещены параллелограммом для переноса движения рабочих точек.
4. Отдельного исследования требует одинаковая ориентация механизмов.