Mathematical modeling and computer simulation of locomotion conditions of vibration-driven robots

Abstract

У цій статті досліджено динамічну поведінку та характеристики руху роботів з вібраційним приводом та колісним шасі, зосереджуючись на порівнянні двох типів вібраційних збудників коливань: електромагнітного актуатора та відцентрового (інерційного) віброзбудника. Методологія дослідження включає 3D-моделювання в програмному забезпеченні SolidWorks для проєктування роботів, чисельне моделювання в Mathematica для імітації їхнього руху та прогнозування кінематичних характеристик, а також комп’ютерне симулювання в SolidWorks Motion для валідації результатів математичного моделювання. Роботи використовують обгінні муфти для забезпечення однонапрямленого обертання коліс та досягнення поступального руху за принципами чисто вібраційного та віброударного збудження. Проаналізовано вплив частоти збудження та інших експлуатаційних параметрів на швидкість, пришвидшення та переміщення робота для обох типів віброзбудників. Результати демонструють ефективність як електромагнітних, так і відцентрових віброзбудників у досягненні необхідних параметрів руху, причому відцентровий віброзбудник загалом забезпечує нижчі швидкості руху робота через використання чисто вібраційного збудження, тоді як електромагнітний актуатор забезпечує більші швидкості завдяки роботі у віброударних режимах. Результати цього дослідження можуть бути цінними для дослідників та інженерів, які працюють над проєктуванням та оптимізацією роботів із вібраційним приводом для різних застосувань, включаючи інспектування і чищення трубопроводів та переміщення в складних умовах та середовищах (наприклад, поміж завалами будинків).This paper investigates the dynamic behavior and locomotion characteristics of vibrationdriven robots with wheeled chassis, focusing on the comparison of two types of vibration exciters: a solenoid-type actuator and a centrifugal (inertial) exciter. The research methodology involves 3D modeling using SolidWorks software to design the robots, numerical modeling in Mathematica software to simulate their motion and predict kinematic characteristics, and computer simulation in SolidWorks Motion software to validate the modeling results. The robots utilize overrunning clutches to ensure unidirectional wheel rotation and achieve forward motion through the principle of pure vibratory and vibroimpact locomotion. The influence of excitation frequency and operational parameters on the robot’s speed, acceleration, and displacement is analyzed for both types of exciters. The results demonstrate the effectiveness of both solenoid and centrifugal exciters in achieving locomotion, with the centrifugal exciter generally providing lower speeds due to utilizing pure vibration excitation and the solenoid-type actuator offering larger speeds due to operating at vibro-impact conditions. The findings of this study are valuable for researchers and engineers working on the design and optimization of vibration-driven robots for various applications, including pipeline inspection, cleaning, and navigation in challenging environments.