автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Исследование управляемых движений миниатюрных многозвенных роботов для действий в ограниченных пространствах

На правах рукописи

Князьков Максим Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ДВИЖЕНИЙ МИНИАТЮРНЫХ МНОГОЗВЕННЫХ РОБОТОВ ДЛЯ ДЕЙСТВИЙ В ОГРАНИЧЕННЫХ

ПРОСТРАНСТВАХ

Специальность 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические

системы.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2007 г.

003069243

Работа выполнена в Институте проблем механики Российской академии наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Градецкий В Г

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Синев А.В

кандидат технических наук доцент Ермолов ИЛ

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт по экс-

Защита состоится «29» мая 2007 г, в 15 00 на заседании диссертационного совета Д212 142 02 при ГОУ ВПО Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН» по адресу 127055, г Москва, Вадковский пер, д За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному

адресу

Автореферат разослан <<?£>> апреля 2007 года

плуатации атомных электростанций (ВНИИ АЭС)

Ученый секретарь диссертационного совета кэн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования

Последние годы в мире развивается новое научное направление исследований по миниатюризации мехатронных систем и мобильных роботов, предназначенных для движения и выполнения функциональных задач в ограниченных пространствах, например в трубах малых диаметров от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров

Если для движения в трубах больших диаметров имеется значительное количество различных мобильных диагностических систем и мобильных роботов, то для выполнения операций в трубах малых диаметров исследования, проектирование и создание мобильных роботов практически только начинаются в последнее время. Миниатюрные роботы предназначены для движения в ограниченных пространствах и в трубах с малым сечением, в отличие от обычных мобильных роботов отличаются рядом специфических особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании, расчетах динамических процессов и анализе управляемых движений. Если в конструкциях многозвенных традиционных роботов приводные системы располагаются в шарнирах, связывающих соединения звеньев, то обеспечение поступательных движений в миниатюрных системах потребовало поиска новых конструктивных решений

Актуальность исследования по созданию микророботов для движения внутри труб малого диаметра связана с необходимостью повышения эффективности систем технической диагностики трубопроводов малых диаметров различных производственных объектов и анализа качества внутренних поверхностей Кроме того, возникают задачи осуществления связи и коммуникаций, прокладки кабелей, проведения микроопераций в биофизике и медицине

В сложных механизмах современной техники, а также в зданиях производственных предприятий имеется множество мест и узлов, труднодоступных для инспекции, ремонта и проведения регламентных работ Примерами могут служить различные топливопроводы и трубопроводы со средами, имеющими как избыточное давление, так и повышенную вязкость В их число входят лета-

тельные аппараты, наземные машины, в том числе большие строительные машины, а также агрегатные узлы на атомных станциях

Цель работы

Целью работы является расширение функциональных возможностей и развитие методов расчета и проектирования управляемых многозвенных миниатюрных мобильных роботов, предназначенных для движения в ограниченных пространствах, прежде всего внутри труб малых диаметров и выполнения технологических операций

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Проанализировать способы построения и методы расчета многозвенных мобильных роботов и существующие подходы к развитию моделей.

• Разработать эффективные расчетные модели миниатюрных мобильных многозвенных роботов с электромагнитным движителем для реализации различных способов движений

• Разработать математические модели и методы расчета и проектирования миниатюрных мобильных многозвенных роботов поступательного движения с электромагнитным движителем

• Разработать алгоритм управляемого движения миниатюрного робота и способ его осуществления

• Провести экспериментальные исследования, обосновывающие предложенные методы расчета, моделирования и основные выводы и результаты диссертации

Методы исследований. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, методов микромеханики, вычислительной техники и систем управления

Исследование функциональных возможностей мобильных роботов, разработанных алгоритмов и способов движения проверены методами математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна представленной работы

• На основе предложенного способа управляемых движений разработана математическая модель для исследования задач динамики миниатюрных многозвенных роботов поступательного движения, обеспечивающая расширенные функциональные возможности.

• Разработаны метод расчета и алгоритм управляемых движений многозвенных роботов с учетом сил и моментов, действующих в микромеханике, состоящие в программном изменении амплитуды, ширины и скважности управляющих импульсов в зависимости от внешней нагрузки и требуемых динамических характеристик робота

• Предложен способ реализации движения миниатюрных многозвенных роботов на основе электромагнитного миниатюрного двигателя поступательного движения

Практическая ценность полученных результатов

• Предложена методика расчета, позволяющая выбрать наилучшие параметры движения миниатюрного многозвенного электромагнитного робота, которая может быть использована для широкого класса управляемых миниатюрных роботов

• Предложенный способ был реализован в механизме движения электромагнитного пушпульного робота и определены режимы его работы

• Построены макеты электромагнитных пушпульных роботов, проведены экспериментальные исследования и выявлены их функциональные возможности.

• В результате выполненных экспериментальных исследований доказана работоспособность предложенных систем.

Реализация работы

Результаты диссертационной работы приняты к использованию на стадии разработки в ЗАО «МНТК РОБОТ» и Научно-технический центр по аварийно -техническим работам на АЭС (НТЦ АТР).

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных и российских конференциях таких, как

- 6-я международная конференция мобильных роботов CLAWAR 2003 (Катаниа, Италия, 2003 г),

- международная конференция IARP 2003 (Москва, 2003г),

- научно-техническая конференция «Мехатроника, Автоматизация, Управление» (Владимир, 2004г),

- международная конференция «Адаптивные и интеллектуальные роботы современное состояние и перспективы» (Москва, 2005г )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в научных журналах, включенных в перечень научно-технических изданий ВАК России

Получен патент Российской федерации на полезную модель №60007 от 10 января 2007г

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключение и списка литературы Основные результаты изложены на 125 страницах, 70 рисунках и 9 таблицах Список использованной литературы содержит 46 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе, которая носит обзорный характер, рассматриваются существующие особенности и методы формирования движений миниатюрных роботов внутри труб Современные методы и программное обеспечение для моделирования движений миниатюрных внутритрубных многозвенных роботов.

Разработки и исследования миниатюрных роботов для движения внутри труб активно ведутся в странах Западной Европы Великобритании, Германии, а также в США и Японии Наиболее известны модели роботов этого класса -KARO (Германия), Jjo - 2 (США), Nomad (США), KRA4 (Германия), Theseuss (Япония)

Роботизация операций для инспекции и ремонта трубопроводов в промыш-ленно развитых странах опирается на международные и национальные программы НИОКР Так в рамках новой европейской научно - технической программы IST ("Технология для Информационного Общества") создание новых мобильных средств выделено в отдельную подпрограмму как перспективная и критическая технология, в основу разработок закладывается мехатронный подход к проектированию, суть которого состоит в глубокой конструктивной интеграции в единый функциональный модуль (вплоть до взаимопроникновения) механических, электрических, компьютерных и сенсорных элементов Современный этап развития мехатроники направлен на интеллектуализацию всех процессов, протекающих в мехатронной системе, в первую очередь - процесса управления функциональными движениями машин Для минироботов это означает повышение автономности их поведения, возможность выполнения ряда действий в автономном режиме, передача диагностической информации оператору в удобной для него визуальной и графической форме

Однако решения ряда задач динамики многозвенных миниатюрных роботов не были ранее достаточно разработаны В особенности это относится к необходимости анализа динамических процессов взаимодействия между отдельными модулями в многозвенных внутритрубных роботах

Во второй главе дан анализ действий сил и моментов при масштабировании многозвенных систем Рассмотрено движение многозвенного робота внутри труб малого диаметра при поступательном движении и выбор рациональных параметров

Каждый модуль может представлять собой управляемую активную, либо пассивную систему, с электромеханическим приводом и передающим движение звеном типа «винт-гайка», либо с электромагнитным приводом, выполненным в виде соленоида с возможным движением штока при закреплении с помощью управляемых упоров корпуса, или возможным движении корпуса относительно штока при закреплении посредством управляемых упоров самого штока

х

Рис 1 Схема движения многозвенного модульного робота внутри трубы, расположенной под углом а к горизонту, который может меняться от 0 до 180 градусов

Рис 2 Схема действия сил на один модуль

Считая зависимость внешней приложенной силы как функции времени 11=11(1) между рассматриваемыми моментами времени линейной, рассмотрим действие всех приложенных сил и реакций сил

Тогда в системе будут действовать следующие силы - активные силы И. и силы веса Рь Р2, Р3, масс гги , т2, т3 отдельных звеньев, нормальные силы реакций Ыь N2, N3 и силы трения скольжения Б], Р2,

Р3

Уравнения движения в проекциях сил на оси координат по направлению оси трубы х и по направлению, перпендикулярному к оси х, имеют вид.

А=1 4=1 /1=1 *=1

или подставляя значения введенных сил, получим I И,-Г, -Р^ш а-Р2 -Ргэш а-Р3-Р3Б1П а= 0 (2)

I N1 +К2 + М3-Р1со8 0!-Р2С05 а-РзСОБ а= О

Считаем, что движение является равномерным и прямолинейным и вращение отсутствует В этом случае для решения поставленной задачи возможно применение лишь уравнений равновесия сил

1к

При движении в трубе силы ^ = / ^/¿а > р^Н+Бро), где Р0 - доба-

о

вочное давление, вызванное силами молекулярного притяжения, Б - общая площадь всех областей контакта между телами

Было представлено аналитическое решение задач движения многозвенных миниатюрных роботов, проведен анализ динамических процессов взаимодействия между отдельными модулями в многозвенных последовательно соединенных модулей В данной главе представлено приближенное аналитическое описание динамики управляемых движений последовательно соединенных цепочек многозвенных роботов

В третьей главе приведено обоснование математической модели, представлено кинематическое и динамическое моделирование многозвенных систем различных масштабов

Движение пушпульного микроробта происходит в трубе, заполненной воздухом или вязкой жидкостью Схема движения представлена на рис 3 Робот может двигаться по трубе с различными углами наклона по отношению к горизонту и преодолевать определенные углы закругления труб

движение робота в трубе

Й

1 1

J

1

Г-

р=0° 90° 90° 180°

3

Рис 3 Схема движения внутритрубного минироробота

Известно, что всякое тело при движении в среде испытывает сопротивление со стороны этой среды Сопротивление возрастает с увеличением скорости и зависит от таких свойств как плотность и вязкость среды

Рассмотрим все силы, действующие на микроробот Fi = F2+F3 + F4+F5+F6+F7+F8

Fi- внешняя возмущающая сила, в частном случае тяговое усилие, развиваемое электромагнитным двигателем микроробота,

F-1 2~-1 - '

1 ~ 21 dx~ 2 dt х~ 2 ¥ d?-x ' где W ~ 1 L~ потокосцепление, L

- индуктивность магнитной системы привода, i - ток в намагниченной обмотке F2= mx" -сила инерции F3=Dx' - демпфирующая сила F4=cx - сила упругости возвратной пружины F5=67tRтjx, - сила сопротивления внешней среды

F6=kNsign( х,х)~ сила трения неподвижного упора, где N = mg cos а F7, F8 - силы имеющие адгезионную природу, возникающие между

поверхностями двух разнородных контактирующих тел Эти силы мы будем

учитывать, введя суммарный коэффициент трения к Следовательно, уравнения

движения корпуса и штока примут вид

•• • • •

тххк = Ру-Бхк-Схк -6яИг]Хк-к№щп(х,х)

<

•• • • •

тг хш = F4 -Охш-лЯг/Хш-к№щп{х,х)

где х = хк - хш - текущая координата относительного движения корпуса и штока

Приведенные уравнения движения являются нелинейными, из-за нелинейности электромагнитных сил Б] и сил сопротивления внешней среды Уравнения были линеаризованы с определенными допущениями Численное решение уравнений было осуществлено с целью разработки алгоритмического и программного обеспечения движения робота и исследования различных режимов движения

Результаты численного решения. Были получены зависимости перемещения и скорости от времени для ступенчатой внешней возмущающей силы

Система уравнений была решена численно (методом Рунге-Кутта), при помощи математического моделирования процессов в МаЙаЬ Изучено влияние внешней силы и параметров движения на функциональные характеристики

i(r). м/с fl.002

0.0015 0.001 0.0005

X<t), M

4

/---К

- /

I /1 У . -F-НЖ-

0 t r l*=t Н ----- 1

0 2-liT 4.1 о"4 6-ю 8-] о" (1.001 t, Рис.4. Изменение перемещения и скорость за период времени t=[0 0.001] сек

I) 5 ш 15 20

Рис.5, Зависимость перемещения от времени для постоянной массы т=20г и различных сил Р=1Н, Р=10Н,?=100Н

t, с

Была спроектирована модель движения пушпульного внутритрубного робота, который двигается как по прямым отрезкам трубы, так и по криволинейным отрезкам трубы. Моделирование движения осуществляется при помощи про граммы написанной на языке Borland С++.

Рис. 6. Модель движения робота по прямолинейному отрезку трубы

Рис. 7. Модель движения робота по загнутому отрезку трубы

При помощи компьютерных моделей были получены критические отношения длины робота к радиусу закругления трубы, это отношение может меняться, если упорные части робота сделать упругоподатливыми.

Была предложена оптимизация движения пушпульного внутритрубного робота и рассмотрена модель внутритрубного робота, который использует для передвижения инерционную систему движения

Для этой системы были рассчитаны зависимость координаты корпуса робота от времени представлена на рисунке 8, а координаты сердечника от времени на рисунке 9

Рис 8 Зависимость координаты Рис 9 Зависимость координаты сер-

корпуса робота от времени дечника робота от времени

В четвертой главе, были проведены экспериментальные исследования Экспериментальное и компьютерное моделирование движения минироботов пушпульного типа в трубах малых диаметров, заполненных различными жидкостями Получены численные параметры для спроектированного макета

Рис. 10. Динамические характерист ики мобильного миниатюрного робота диаметром 12 мм, при токе 0,2 А.

Дается сравнение результатов моделирования движения минироботов с диаметрами 10 мм и 5 мм в среде с одинаковой вязкостью (минеральное масло) при отсутствии избыточного давления, показывает, что величина максимального тягового усилия робота с диаметром 10 мм в 1,6 раза больше по сравнению с тяговым усилием робота диаметром 5 мм. В номограммах дается зависимость скорости движения минироботов в одинаковой вязкой среде от величины тягового усилия и отношения затора к диаметру при отсутствии избыточного давления. При постоянном тяговом усилии зависимости скорости движения мини-робота в вязкой среде от величины избыточного давления.

0 10 мм Бэм = 0,25 Н Минеральное масло

0,14 •

Рис 11 Зависимость скорости движения миниробота в вязкой среде от величины избыточного давлении и отношения зазора к диаметру миниробота при постоянном тяговом усилии макетного образца многозвенного внутритрубного робота

Для управления миниатюрным роботом было написано программное обеспечение, внешний вид которого показан на рисунке 12

Камне ста« миге*. |786 |

Р»*вт» упоро» год [мс Г У пори мружу <~ Улары внутрь

Ст>рт|

Осткноотъ уавры I

Читога |?5 Ширим ниоуаься

Пер« ять настрой«*'

Рис 12 Система управления электромагнитных роботов на основе разработанного программного обеспечения

Рис. 13. Внешний вид разработанного многозвенного внутритрубного робота и

схема его подключения к испытательному стенду

Прорабатывалась возможность создания роботов с внешним диаметром от 5мм. до 20мм., результаты анализа характеристик различных вариантов мини-роботов представлены в таблице 1,

Таблица 1

Наименование характеристик Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

Диаметр, мм 5 12 20

Тип двигателя электромагнитный эл ектром агнитный электромагнитный

Напряжение, В б - 10 10-15 15-20

Ток, А 0,4 1,0 1,5

Частота управляющих импульсов, Гц 4 20 4-39 4-50

Потребляемая мощность, Вт 3,2-4,0 10,0-15,0 22,5 - 30,0

Скорость движения, мм/с 4-10 6-20 6- 30

Точность по:!иционирования, мм 0,5 0,7 0,8

Радиус разворота, м 0,1 0,4 0,6

Дальность действия, м 10 50 70

Полезная нагрузка. Н 0,05 0,5 2,0

В заключение диссертации приводятся основные научные результаты исследования

Установлено, что амплитуда и частота импульсов сигнала управления и приложенная к микророботу нагрузка определяют время сжатия возвратной пружины и перемещения штока из начального положения в конечное положение, которое зависит от конструктивных параметров микроробота, что особенно важно для выбора наилучших тяговых и скоростных характеристик модельного ряда миниатюрных роботов

Выявлено, что предложенная математическая модель периодического движения штока и корпуса под действием всех внешних сил достаточно полно определяет динамику движения, а линеаризация тягового усилия и оценки параметров движения произведена с необходимой точностью, что обеспечивается линейным представлением процесса движения

Показано, что функциональные возможности роботов с электромагнитными движителями могут быть значительно расширены за счет применения управляемых упоров Использование управляемых упоров обеспечивает движение последовательного соединения модулей, образующих многозвенный миниатюрный робот поступательного движения Каждый из последовательного соединенных модулей многозвенного робота выполняет определенную функциональную нагрузку, что увеличивает эффективность применения роботов

Анализ предложенных ранее методов реализации движений посредством электромагнитных движителей и линеаризации характеристик позволил оценить некоторые недостатки, относящиеся к увеличению времени переходных процессов в пределах одного цикла, недостаточными нагрузочными возможностями и тепловым режимам работы

Перечисленные недостатки являются следствием конструктивных - технологических причин и могут быть устранены за счет подбора материала катушек и сборки миниатюрного робота

Установлены основные зависимости между функциональными характеристиками и конструктивными параметрами миниатюрного робота, такими как

быстродействие, переходные процессы, собственные частоты, время разгона и торможения

Учтено влияние сил адгезии при движении миниатюрного многозвенного робота и действия сил трения на процесс разгона и торможения при электромагнитном управлении

Обоснована и экспериментально подтверждена возможность движения робота в различных средах, таких как вода и вязкие жидкости

ВЫВОДЫ

1 Решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в исследовании неизвестных ранее особенностей управляемых движений и расширении функциональных возможностей многозвенных миниатюрных мобильных роботов поступательного движения с электромагнитным движителем, предназначенных для перемещений в ограниченных пространствах и в трубах малых диаметров

2 Разработана математическая модель движения миниатюрного многозвенного робота с электромагнитными движителями, с учетом влияния приложенных сил - внешней движущей электромагнитной силы, сил трения, инерции, демпфирования, сопротивления среды, в которой происходит движение и взаимодействие параметров робота в динамическом режиме

3 Развиты методы расчета и проектирования управляемых движений миниатюрных многозвенных роботов, в частности динамической системы, состоящей из корпуса, подпружиненного штока, управляемой катушки и тормозных устройств

4 Разработан алгоритм управляемого движения и способ его осуществления, состоящий в программном изменении амплитуды, ширины и скважности управляющих импульсов в зависимости от внешней нагрузки и требуемых динамических характеристик робота

5 Выполнены экспериментальные исследования, обосновывающие предложенные методы расчета, моделирования и основные результаты работы

Сравнение экспериментальных и расчетных характеристик показали, что отличия составляют 7-12%

6 Предложенный способ пушпульного движения был реализован в механизме движения электромагнитного миниатюрного робота, построены макеты миниатюрных роботов, проведены экспериментальные исследования и выявлены функциональные возможности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Градецкий В Г , Князьков М М, Кравчук Л Н, Соловцов В Н Микросенсорное управление движением миниатюрных роботов внутри труб малых диаметров // Микросистемная техника Издательство Новые технологии -2002 - №8 - с 11-19 (журнал из перечня ведущих рецензируемых журналов и изданий), (вклад автора 0,2 п л)

2 Князьков М М, Башкиров С А Плоское передвижение многозвенного робота по поверхности с сухим трением // Мехатроника, Автоматизация, Управление Издательство Новые технологии - 2004 - №3 - с 28-32, (журнал из перечня ведущих рецензируемых журналов и изданий), (вклад автора 0,3 п л )

3 Градецкий В Г, Князьков М М, Кравчук Л Н, Семенов Е А Методы движения миниатюрных управляемых внутритрубных роботов // Нано- и микросистемная техника Издательство Новые технологии - 2005 - №9 -с 37-43 , (журнал из перечня ведущих рецензируемых журналов и изданий), (вклад автора 0,2 п л )

4 Градецкий В Г , Князьков М М , Семенов Е А Динамические процессы в миниатюрных многозвенных роботах // Нано- и микросистемная техника Издательство Новые технологии - 2006 - №9 - с 39-43 , (журнал из перечня ведущих рецензируемых журналов и изданий), (вклад автора 0,2 п л)

5 Градецкий В Г, Князьков М М, Соловцов В Н Многопроцессорное управление движением миниатюрных роботов В сб МВС - 2002 Мате-

риалы международной научно-технической конференции, Таганрог изд-во ТРТУ, с 316-319 (вклад автора 0,1 п л )

6 Rizzotto G G., Amato Р М, Gradetsky V.G., Solovtsov V N., Knyazkov M M. Simulation and Modelling of Electro-Magnetic Mechatronic Microsystems Proceedings of the IARP 2003 , pp. 97-106 (вклад автора 0,25 п л.)

7. Gradetsky V.G., Solovtsov V.N, Knyazkov M.M, Rizzotto G G., Amato P M Modular design of electro-magnetic mechatronic microrobots 6th Intern. Conf on Climbing and Walking Robots, Proceedings oh the Clawar 2003, pp. 341— 348 (вклад автора 0,1 п л )

8 Knyazkov М.М., Bashkirov S.A., Semenov E A. Simulation of the multi-link crawling motion robot driving on a plane surface. 6th Intern Conf on Climbing and Walking Robots, Proceedings oh the Clawar 2003, pp 651-658. (вклад автора 0,3 п.л.)

9 Градецкий В Г, Князьков М М, Кравчук JI.H, Соловцов В Н, Фомин Л.Ф Анализ управления многозвенными мобильными роботами, перемещающимися в пространстве Препринт №572 - М. Отпечатано в ИПМех РАН 2003,23 с. (вклад автора 0,2 п.л.)

10 Градецкий В Г , Князьков М М , Кравчук JIН, Соловцов В Н, Семенов Е.А Исследование управляемых движений электромагнитных микророботов в трубах малых диаметров» Препринт №770. - М.: Отпечатано в ИПМех РАН 2004,24 с (вклад автора 0,2 п л )

11 Градецкий В Г, Князьков М.М., Кулешов В А, Чистяков В Г Микромеханика и микросистемы. // Искусственный интеллект 2004 - №4 , Институт проблем искусственного интеллекта РАН Украины, с. 701—709 (вклад автора 0,3 пл.)

12 Градецкий В Г, Князьков М.М., Соловцов В Н Мехатронные системы миниатюрных роботов В сб Мехатроника, Автоматизация, Управление: Материалы научно-технической конференции Владимирский государственный университет. Изд-во Новые технологии - 2004, с. 59-63. (вклад автора 0,1 п л.)

13. Gradetsky V.G, KnyazkovMM Microsensor application in robotic and medical system Production Techniques for Application specific Microsensors Shaker Verlog Aachen - 2004, pp 324-358 (вклад автора 1 п л )

14 Градецкий В Г, Князьков М М , Семенов Е А Проблемы адаптивного движения мехатронных макро и микросистем В сб Адаптивные и интеллектуальные роботы современное состояние и перспективы- Материалы международной конференции, том 2 - М Отпечатано в ИПМех РАН 2005, с. 82-90 (вклад автора 0,1 п.л )

15 Rizzotto G G, Vechlenko М A., Gradetsky V G, Knyazkov М М, Semenov Е A Adaptation in macro and microrobotics The Workshop on Adaptive and Intelligent Robots. Present and Future Proceedings of the IARP 2005 , pp 136— 154. (вклад автора 0,2 п.л.)

16 Градецкий В Г, Князьков М М., Кравчук JIН. Внутритрубное транспортное средство Патент на полезную модель №60007 от 10 января 2007 года

Подписано в печать 24.04 2007

Формат 60x90l/j6 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,5 п л Тираж 50 экз

Отпечатано в Издательском Центре ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11 05 2000 127055, Москва, Вадковский пер, д За

Введение.

Глава 1. Обзор существующих методов и обоснование задач исследования.

1.1. Особенности и методы формирования движений многозвенных роботов внутри труб малых диаметров.

1.2. Моделирование движений миниатюрных внутритрубных многозвенных роботов.

Последние годы в мире развивается новое научное направление исследований по миниатюризации мехатронных систем и мобильных роботов, предназначенных для движения и выполнения функциональных задач в ограниченных пространствах, например в трубах малых диаметров от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

Если для движения в трубах больших диаметров имеется значительное количество различных мобильных диагностических систем и мобильных роботов, то для выполнения операций в трубах малых диаметров исследования, проектирование и создание мобильных роботов практически только начинаются в последнее время. Миниатюрные роботы предназначены для движения в ограниченных пространствах и в трубах с малым сечением, в отличие от обычных мобильных роботов отличаются рядом специфических особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании, расчетах динамических процессов и анализе управляемых движений. Если в конструкциях многозвенных традиционных роботов приводные системы располагаются в шарнирах, связывающих соединения звеньев, то обеспечение поступательных движений в миниатюрных системах потребовало поиска новых конструктивных решений.

Актуальность исследования по созданию микророботов для движения внутри труб малого диаметра связана с необходимостью повышения эффективности систем технической диагностики трубопроводов малых диаметров различных производственных объектов и анализа качества внутренних поверхностей. Кроме того, возникают задачи осуществления связи и коммуникаций, прокладки кабелей, проведения микроопераций в биофизике и медицине.

В сложных механизмах современной техники, а также в зданиях производственных предприятий имеется множество мест и узлов, труднодоступных для инспекции, ремонта и проведения регламентных работ. Примерами могут служить различные топливопроводы и трубопроводы со средами, имеющими как избыточное давление, так и повышенную вязкость. В их число входят летательные аппараты, наземные машины, в том числе большие строительные машины, а также агрегатные узлы на атомных станциях.

Целью работы является расширение функциональных возможностей и развитие методов расчета и проектирования управляемых многозвенных миниатюрных мобильных роботов, предназначенных для движения в ограниченных пространствах, прежде всего внутри труб малых диаметров и выполнения технологических операций.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Проанализировать способы построения и методы расчета многозвенных мобильных роботов и существующие подходы к развитию моделей.

• Разработать эффективные расчетные модели миниатюрных мобильных многозвенных роботов с электромагнитным движителем для реализации различных способов движений.

• Разработать математические модели и методы расчета и проектирования миниатюрных мобильных многозвенных роботов поступательного движения с электромагнитным движителем.

• Разработать алгоритм управляемого движения миниатюрного робота и способ его осуществления.

• Провести экспериментальные исследования, обосновывающие предложенные методы расчета, моделирования и основные выводы и результаты диссертации.

Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, методов микромеханики, вычислительной техники и систем управления.

Исследование функциональных возможностей мобильных роботов, разработанных алгоритмов и способов движения проверены методами математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна представленной работы.

• На основе предложенного способа управляемых движений, разработана модель для исследования задач динамики миниатюрных многозвенных роботов поступательного движения, обеспечивающие расширенные функциональные возможности.

• Разработан метод и алгоритм расчета многозвенных роботов с учетом сил и моментов, действующих в микромеханике.

• Предложен способ реализации движения миниатюрных многозвенных роботов на основе электромагнитного миниатюрного двигателя поступательного движения.

Практическая ценность полученных результатов.

• Предложена методика расчета, позволяющая выбрать наилучшие параметры движения миниатюрного многозвенного электромагнитного робота, которая может быть использована для широкого класса управляемых миниатюрных роботов.

• Предложенный способ был реализован в механизме движения электромагнитного пушпульного робота и определены режимы его работы.

• Построены макеты электромагнитных пушпульных роботов, проведены экспериментальные исследования и выявлены их функциональные возможности.

• В результате выполненных экспериментальных исследований доказана работоспособность предложенных систем.

выводы

1. Решена актуальная научно-техническая задача, состоящая в исследовании неизвестных ранее особенностей управляемых движений и расширении функциональных возможностей многозвенных миниатюрных мобильных роботов поступательного движения с электромагнитным движителем, предназначенных для перемещений в ограниченных пространствах и в трубах малых диаметров.

2. Разработана математическая модель движения миниатюрного многозвенного робота с электромагнитными движителями, с учетом влияния приложенных сил - внешней движущей электромагнитной силы, сил трения, инерции, демпфирования, сопротивления среды, в которой происходит движение и взаимодействие параметров робота в динамическом режиме.

3. Развиты методы расчета и проектирования управляемых движений миниатюрных многозвенных роботов, в частности динамической системы, состоящей из корпуса, подпружиненного штока, управляемой катушки и тормозных устройств.

4. Разработан алгоритм управляемого движения и способ его осуществления.

5. Выполнены экспериментальные исследования, обосновывающие предложенные методы расчета, моделирования и основные результаты работы.

6. Предложенный способ пушпульного движения был реализован в механизме движения электромагнитного миниатюрного робота, построены макеты миниатюрных роботов, проведены экспериментальные исследования и выявлены функциональные возможности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Установлено, что амплитуда и частота импульсов сигнала управления и приложенная к микророботу нагрузка определяют время сжатия возвратной пружины и перемещения штока из начального положения в конечное положение, которое зависит от конструктивных параметров микроробота, что особенно важно для выбора наилучших тяговых и скоростных характеристик модельного ряда миниатюрных роботов.

Выявлено, что предложенная математическая модель периодического движения штока и корпуса под действием всех внешних сил достаточно полно определяет динамику движения, а линеаризация тягового усилия и оценки параметров движения произведена с необходимой точностью, что обеспечивается линейным представлением процесса движения.

Показано, что функциональные возможности роботов с электромагнитными движителями могут быть значительно расширенны за счет применения управляемых упоров. Использование управляемых упоров обеспечивает движение последовательного соединения модулей, образующих многозвенный миниатюрный робот поступательного движения. Каждый из последовательного соединенных модулей многозвенного робота выполняет определенную функциональную нагрузку, что увеличивает эффективность применения роботов.

Анализ предложенных ранее методов реализации движений посредством электромагнитных движителей и линеаризации характеристик позволил оценить некоторые недостатки, относящиеся к увеличению времени переходных процессов в пределах одного цикла, недостаточными нагрузочными возможностями и тепловым режимам работы.

Перечисленные недостатки являются следствием конструктивных -технологических причин и могут быть устранены за счет подбора материала катушек и сборки миниатюрного робота.

Установлены основные зависимости между функциональными характеристиками и конструктивными параметрами миниатюрного робота, такими как быстродействие, переходные процессы, собственные частоты, время разгона и торможения.

Учтено влияние сил адгезии при движении миниатюрного многозвенного робота и действия сил трения на процесс разгона и торможения при электромагнитном управлении.

Обоснована и экспериментально подтверждена возможность движения робота в различных средах, таких как вода и вязкие жидкости.

1. Москвитин А.И. Электрические машины возвратно-поступательного движения. М.: Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 144 с.

2. Потураев В.Н., Франчук В.П., Червоненко А.Т. Вибрационные транспортирующие машины. М.: Машиностроение, 1964.

3. Вихорев Г.А., Шнайд И.М. Электродинамические холодильные компрессоры // Холодильная техника. 1962. - №5. - с. 71. 73.

4. Повидайло В.А., Силин Р.И., Шигель В.А. Вибрационные устройства вмашиностроении. М.: Машгиз, 1962. - 111 с.

5. Малов А.Т., Ряшенцев Н.П. Расчет и конструкции станков для клепки шарнирных соединений. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1968. -126 с.

6. J.Gray, Animal Locomotion, Widenfeld&Nicolson, London, 1968.

7. Ручные электрические машины ударного действия / Н.П.Ряшенцев, П.М.Алабужев, Н.И.Никитин. Е.М.Тимошенко, Н.М.Батуев. -М.: Недра, 1970.- 192 с.

8. Ряшенцев Н.П., Тимошенко Е.М., Фролов А.В. Теория, расчет и конструирование электромагнитных машин ударного действия. -Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1970. -260 с.

9. Гликсон А.Л. Характеристики холодильных электродинамических компрессоров и их элементов (Теория и методы расчета): Автореф. дис. . канд. техн. наук. Одесса, 1972. - 22 с.

10. Усаковский В.М. Инерционные насосы. М.: Машиностроение, 1973. -200 с.

11. И. Ряшенцев Н.П., Ковалев Ю.З. Динамика электромагнитных импульсных систем. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1974. - 188 с.

12. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, 1975. - 638 с.

13. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1976. - 784 с.

14. Разработка и создание импульсной электромагнитной вибромешалки / Р.О.Чанышев, В.Т.Бажин, А.И.Смелягин, А.А.Литвинова // Тез. докл. Всесоюз. конф. Челябинск: ЧПИ, 1977. - С. 130.

15. Ряшенцев Н.П., Смелягин А.И., Мисюк Ю.П. Разработка и создание импульсного электромагнитного краскопульта // Тез. докл. Всесоюз. конф. Челябинск: ЧПИ, 1977. - С. 128.

16. Смелягин А.И., Мисюк Ю.П. Разработка и создание электромагнитного нагнетателя водных составов // Электромагнитные машины ударного действия. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978. - С. 90-94

17. Ряшенцев Н.П., Мирошниченко А.Н. Введение в теорию энергообразования электромагнитных машин. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1978. - 16 с.

18. Бажин В.Т., Литвинова А.А. Разработка и исследование электромагнитной мешалки // Электромагнитные машины ударного действия.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978.-С. 101 . 103.

19. Мисюк Ю.П. Создание и исследование краскопульта с нежесткой кинематической связью: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -Новосибирск, 1979. 24 с.

20. Электромагнитные молоты / Под ред. А.Т.Малова, Н.П.Ряшенцева и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1979. - 270 с.

21. Мисюк Ю.П., Смелягин А.И. Экспериментальные исследования краскопульта с нежесткой кинематической связью // Вопросы динамики механических систем виброударного действия. Новосибирск: НЭТИ, 1980.-С. 77 . 83.

22. Симонов Б.Ф. Исследование и создание электромагнитных ударных узлов для трамбующих машин: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -Новосибирск, 1981. 24 с.

23. Электропривод с линейными электромагнитными двигателями / Под ред. Н.П.Ряшенцева и др. Новосибирск: Наука Сиб. отд-ние, 1981. -150 с.

24. Смелягин А.И., Обухов В.Н., Райе В.Р. Разработка искусственного сердца с электромагнитным приводом возвратно-поступательного движения // Биомеханика кровообращения, дыхания и биологических тканей. Рига: Зинатне, 1981. - С. 250 . 253.

25. Электромагнитный привод робототехнических систем. Киев: "Наукова думка", 1986.

26. А.И.Добролюбова, Бегущие волны деформации, Наука и техника, Минск, 1987.

27. Смелягин А.И. Синтез и исследование машин и механизмов с электромагнитным приводом: Издательство Новосибирского Университета, 1991г.

28. Yutaka Kondon, Shinichi Yokota "Micro In-Pine Mobile Machins by Making Use of an Electro-Rheological Fluid",Proceeding of IROS-97, IEEE, 1997, pp. 1672-1677.

29. Черноусько Ф.Л. Управление движением многозвенника на шероховатой плоскости. // Труды Института математики и механики УрО РАН, т. 6, № 1,2000г.

30. Myers D. Pipe and duct application for CLAWAR machines// Proceed, of 4th international Conference on Climbing and Walking Robots, professional Engineering publishing Ltd., UK, 2001, p. 1045-1052.

31. Градецкий В.Г., Пушкин M.M. Исследование динамических процессов в микророботах // Материалы VIII Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике, 2001.

32. Мальцев П.П., Никифоров А.Ю. Технология и изделия микроэлектромеханики.//Микросистемная техника, 2001, №10, с. 18-24.

33. Градецкий В., Вешников В., Калиниченко С., Кравчук Л. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно расположенным в пространстве поверхностям. // Москва, Наука, 2001, с. 360.

34. Градецкий В.Г., Князьков М.М., Кравчук Л.Н., Соловцов В.Н. Микропроцессорное управление движением миниатюрных роботоввнутри труб малых диаметров. // Микросистемная техника, 2002, №8, с. 11-19.

35. M.Yim, D.Duff, K.Roufas. Distributed robotics Walk on the wild side// IEEE Robotics and Automation. Magazine, 2002, v. 9, N4, p. 49-53.

36. G.G. Rizotto, P. Amato, V. Gradetsky, M. Knyazkov, V. Solovtsov "ModularDesign of Electro-Magnetic Machstronic Microrobots", Proceeding of CLAWAR 2003 Conference, Catania, Italy, 2003, pp.341-348.

37. Klimov D., Gradetsky V., Rizzotto G.G. Micromechanics and Advanced technologies // Proceed, of IARP Workshop on Microrobots, Micromachines and Microsystems, Moscow, IPM RAS, 2003, p. 17-44.

38. Rizzotto G.G., Amato P., Gradetsky V., Solovtsov V., Kniazkov M. Simulation and Modeling of Electro-Magnetic Mechatronic Microsystems // Proceed, of IARP Workshop on Microrobots, Micromachines and Microsystems, Moscow, IPM RAS, 2003, p. 97-106.

39. V. Gradetsky, M. Knyazkov "Microsensor appication in robot and medical systems", Production Techniques for Application specificil Microsensors, Aachen, 2004, pp.324-358.

40. Градецкий В.Г., Князьков M.M, Кулешов В.Н., Чистяков В.М. "Микромеханика и микросистемы", журнал "Искусственный интеллект", №4, Донецк, 2004, с.701-709.

41. E.Cepolina, R.Molfino, M.Zoppi. The PMAR LAB in humanitarian demining effort// Proceed, of Intern. WS Robotics and Mechanical assistance in humanitarian demining a similar risky interventions, Belgium, Royal Military Academy, p. 1-6,2005.

42. Г.Н.Космодемьянская, С.И.Сорокина. Особенности определения поля давления при движении микрокапсулы в трубках малого диаметра.// Нано- и микросистемная техника. 2005, N2, с. 17-24.

43. Градецкий В.Г., Князьков М.М, Кравчук JI.H., Семенов Е.А. "Методы движения миниатюрных управляемых внутритрубных роботов", журнал "Нано- и микросистемная техника", №9, 2005, с.37-43.

44. Градецкий В.Г., Князьков М.М., Семёнов Е.А. «Динамические процессы в миниатюрных многозвенных роботах», журнал «Нано- и микросистемная техника», №9, 2006, с.39-43.

45. Ivan L. Ermolov, Philip R. Moore, Jury V. Poduraev, Intelligent Sensor-Oriented Mobile Robotics for Pipeline Inspection.// Proceedings of IEEE MED-2004 Conference, Kusadasi, Turkey, 2004.

46. Proc. Of IEEE International Conference on Robotics and Automation, May 15-19, 2006, Orlando, Florida, USA.