Разработка и исследование мехатронных пневматических приводов с нелинейным пружинным аккумулятором и фиксатором на базе кулисного механизма)

Разработка и исследование мехатронных пневматических приводов с нелинейным пружинным аккумулятором и фиксатором на базе кулисного механизма)

Янь Чуаньчао
Аспирант, Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), Высшая школа автоматики и робототехники (ВШАиР), 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Волков Андрей Николаевич
д.т.н., доцент, СПбПУ, ВШАиР, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Берро Сомар
Аспирант, СПбПУ, ВШАиР, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Кочнева Ольга Владимировна
к.т.н., доцент, СПбПУ, ВШАиР, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Мацко Ольга Николаевна
к.т.н., доцент, директор, СПбПУ, ВШАиР, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Романов Павел Иванович
д.т.н., Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, профессор, СПбПУ, Высшая школа машиностроения, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; директор, научно-методический центр Координационного совета Минобрнауки России по области образования «Инженерное дело, технологии и технические науки» – секретариата Координационного совета, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Индекс УДК: 621:62-85:007.52

EDN: HGQMRN

Аннотация. Предложено схемное решение мехатронного пневматического привода с интегрированным нелинейным пружинным аккумулятором и электромагнитным фиксатором на базе кулисного механизма. Основной целью исследования являлась разработка высокоэффективной системы, обеспечивающей ускоренную передачу и рациональное распределение энергии, снижение её потерь, а также повышение быстродействия привода. В работе использовались методы математического моделирования динамических процессов, анализа энергоэффективности и экспериментального тестирования, что позволило исследовать характеристики привода и выявить ключевые зависимости. По сравнению с приводами, выполненными на базе кулисного механизма, но без пружинного аккумулятора, а также с приводами, оснащёнными пружинным аккумулятором, но без фиксаторов, предложенный привод обладает значительно более высоким быстродействием. Результаты исследования показали, что оптимизация таких параметров, как жёсткость пружины, величина ее предварительной деформации, а также положение начала и окончания компенсации энергии, позволяет существенно повысить быстродействие привода и эффективность использования энергии. Предложенные подходы и модели могут быть применены при создании средств автоматизации и робототехнических устройств, особенно в там, где предъявляются высокие требования к быстродействию и энергоэффективности.

Ключевые слова: быстродействие, уровень потерь энергии, рекуперация, алгоритм, компенсация, робототехника

Для цитирования: Разработка и исследование мехатронных пневматических приводов с нелинейным пружинным аккумулятором и фиксатором на базе кулисного механизма / Янь Чуаньчао [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 13. – № 3. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2025. – С. 232-240. – EDN: HGQMRN.

Список источников

  1. Research on energy efficiency of pneumatic cylinder for pneumatic vehicle motor / M. Gaili [et al.] // Agromomy research 18(S1), 2020, Pp. 823-841. DOI:10.15159/AR.20.048. Text: electronic.
  2. Experimental investigation on the effect of phase change materials on compressed air expansion in CAES plants / Castellani B. [et al.] // Sustainability, 2015, 7(8):9773-9786. DOI: 10.3390/su7089773.
  3. Elastic energy storage technology using spiral spring devices and its applications: A review / S. Guo [et al.] // Energy and Built Environment, June 2022. DOI:10.1016/j.enbenv.2022.06.005.
  4. Cotana F. Evaluation and optimization of an innovative low-cost photovoltaic solar concentrator / Cotana F, Rossi F, Nicolini A. // International Journal of Photoenergy, 2011, Pp. 10. DOI:10.1155/2011/843209.
  5. Federico Rossi. Benefits and challenges of mechanical spring systems for energy storage applications / Federico Rossi, Beatrice Castellani, Beatrice Castellani // Energy Procedia: ATI 2015 – 70th conference of the ATI Engineering Association, 2015, Pp. 805-810. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.11.816.
  6. Elastic-actuation mechanism for repetitive hopping based on power modulation and cyclic trajectory generation / Won Dong Shin [et al.] // IEEE Transactions on Robotics, Jan. 2022, Pp. (99):1-14. DOI:10.1109/TRO.2022.3189249.
  7. LI Xingwang A Pneumatic Soft Quadruped Robot Based on a Bistable Actuator [J] / LI Xingwang, Teng Yan, XU Ying // Tongfang Knowledge Network (Beijing) Technology Co., Ltd., 2024, 46(3): 294-304. DOI: 10.1016/j.enbenv.2022.06.005. – Text: electronic.
  8. ATRIAS: Design and validation of a tether-free 3D-capable spring-mass bipedal robot / Christian Hubicki [et al.] // The International Journal of Robotics Research, 2016, Vol. 35(12) 1497-1521. DOI: 10.1177/0278364916648388.
  9. Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots / TANG Y.C. [et al.] // Science Advances, 2020, 6(19). DOI:10.1126/sciadv.aaz6912.
  10. Жавнер М.В. Исследование пружинных аккумуляторов для мехатронных приводов с рекуперацией энергии в оборудовании пищевых производств / Жавнер М.В., Чуаньчао Я., Ли С. // Вестник Международной академии холода, 2022, № 1, С. 68-75. DOI: 10.17586/1606-4313-2022-21-1-68-75.
  11. Мехатронные системы в фасовочно-упаковочном оборудовании: учеб. пособ. / Жавнер В.Л. [и др.] // - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019, 80 с. DOI: 10.18720/SPBPU/2/i19-284.
  12. Пелупесси Д.С. Пружинные аккумуляторы для шаговых приводов / Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Современное машиностроение. Наука и образование. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016, С. 499-509. DOI: 10.1872/MMF-2016-48.
  13. Пелупесси Д.С. Пружинные аккумуляторы с выходным поворотным звеном для шаговых перемещений / Пелупесси Д.С., Жавнер М.В. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. № 10 (679), 2016, С. 9-17. 10.18698/0536-1044-2016-10-9-17.
  14. Нелинейный пружинный аккумулятор для мехатронных пневматических приводов с рекуперацией энергии / Янь Чуаньчао [и др.] // Наука и бизнес: пути развития, 2024, № 8, C. 45-49. EDN: TSTHNY.
  15. Yan Chuanchao The use of pneumatic cylinders with return springs when creating mechanical drives with recuperative energy / Yan Chuanchao, Zhao Wen // MATEC Web of Conferences, Vol. 287, 01028 (2019). DOI: org/10.1051/matecconf/201928701028.
  16. Мацко О.Н. Мехатронные рекуперативные приводы для возвратно-поступательного движения: специальность 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»: автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук / Мацко Ольга Николаевна; «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. – СПб, 2011.16 с.: ил. – Текст: непосредственный.
  17. Мацко О.Н. Нахождение периода колебаний нелинейного пружинного аккумулятора с поступательной парой / Мацко О.Н., Жавнер М.В. // Современное машиностроение. Наука и образование, 2013, № 3, C. 205-209. EDN: QCXLLL.

Поступила в редакцию 12.12.2024
Поступила после рецензирования 12.02.2025
Принята к публикации 27.04.2025