Введение к работе
Актуальность проблемы. В живой природе ползающее движение имеет достаточно широкое распространение (можно вспомнить змей, червей, улиток и многих других живых существ). Речь идёт о таком перемещении движущегося объекта по той или иной поверхности, при котором несколько (или бесконечное множество) его точек непрерывно находится в контакте с опорной поверхностью, причём совокупность контактирующих точек остаётся неизменной (в случае же качения или ходьбы на смену одним точкам контакта приходят другие).
При ползании источником перемещения объекта служат внутренние сипы, котппмми пн vnnanTTtfeT. пяттеняттпявттенно их изменяя. Изменение, внутренних сил влечёт изменение внешних сил, возникающих при контакте объекта с опорной поверхностью (последние и служат непосредственной причиной перемещения объекта).
Практическая реализация идей по разработке и исследованию машин с ползающим движением началась относительно недавно. В последние годы, однако, это новое научное направление развивается весьма активно - прежде всего в связи с созданием мобильных роботов для движения и выполнения функциональных задач в ограниченных пространствах (например, в трубах).
Возможны различные способы реализации ползающего движения - как за счёт сил трения, так и за счёт реакций идеальных связей. В подавляющем большинстве публикаций рассматривается (работы С.Хиросе, В.Г.Гра-децкого, Дж.Бёрдика, Ф.Л.Черноусько, В.Ф.Журавлёва, М.М.Князькова, Т.Ю.Фигуриной, Х.Гонсалеса-Гомеса, ИТанева, Р.П.Чаттерджи и др.) первый способ; результаты данных исследований привели к создании ряда моделей роботов для движения внутри труб: KARO и KRA4 (Германия), Jjo-2 и Nomad (США), Theseuss (Япония). Второй способ реализации ползающего движения относится к случаю, когда опорная поверхность является гладкой; применительно к этому случаю до сих пор изучались лишь модельные задачи (А.Ю.Ишлинский, Ю.Г.Мартыненко, Н.В.Осадченко).
В связи с этим представляет значительный интерес изучение возможных конструкций ползающих роботов, способных к целенаправленному передвижению по гладким поверхностям (в частности, по внутренним поверхностям труб); при разработке алгоритмов управления такими роботами должен существенным образом учитываться односторонний характер связей в точках контакта робота с поверхностью.
В перспективе такие ползающие роботы могут найти своё применение при проведении диагностических и ремонтных работ в трубопроводах, а также - если говорить о наноробототехнике - при выполнении медицинских процедур, предусматривающих передвижение наноробота по кровеносным сосудам пациента.
Цель работы. Работа посвящена дальнейшей разработке научных основ проектирования новых поколений транспортных машин. Целью её была разработка алгоритмов управления движением мобильного ползающего робота, позволяющих обеспечить (используя лишь внутренние управляющие силы) требуемое перемещение данного робота в поперечном направлении по внутренней поверхности гладкой трубы эллиптического сечения. В связи с тем, что связи, налагаемые на робот в точках контакта с трубой, являются односторонними, к управлению предъявлялось дополнительное требование: постоянно поддерживать соприкосновение робота с поверхностью трубы.
Методы исследования определялись спецификой исследуемого технического объекта и базировались на традиционном для динамики машин сочетании подходов классической механики и современной вычислительной математики, на идеях теории.автоматического управления. Роль основного средства исследования играл метод компьютерного моделирования.
Научная новизна. Впервые исследована динамика управляемого движения шарнирного двузвенника по гладкому эллипсу для модели, учитывающей непрерывное распределение масс его стержней.
Впервые предложены две конструкции мобильных ползающих роботов, предназначенных для движения по гладкой внутренней поверхности трубы эллиптического сечения. Для этих роботов:
созданы математические модели в виде системы взаимосвязанных твёрдых тел, получены уравнения кинематики и динамики;
найдено управление, обеспечивающее требуемое их движение в режиме разгона из состояния покоя при условии постоянного поддержания контакта робота с опорной поверхностью;
выполнено компьютерное моделирование динамики управляемого движения роботов с изучением влияние параметров модели на движение робота.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы и её выводов обеспечивается:
применением строгих в математическом плане методов исследования, основанных на фундаментальных принципах теоретической механики, динамики машин, вычислительной механики;
тщательной отладкой разработанного программного обеспечения;
значительным объёмом выполненных вычислительных экспериментов, подтвердивших работоспособность построенных математических моделей;
сравнением с результатами пионерских работ Ю.Г.Мартыненко и Н.В. Осадченко.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты доказывают возможность создания мобильных ползающих роботов, способных целенаправленно передвигаться по гладким поверхностям переменной кривизны. Решена проблема нахождения управления, обеспечивающего требуемое движение этих роботов, и предложены конкретные выражения для управляющих воздействий. Результаты работы могут применяться при проектировании и создании технических устройств, использующих принцип ползающего движения. Они могут быть использованы в учебных курсах, посвященных теории современных мобильных машин.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международной научной конференции "Современные проблемы математики, механики и информатики" (Тула, Тульский государственный университет, ноябрь 2007 г.);
Четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, Московский энергетический институт, февраль 2008 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложе-ны-в четырёх печатных работах, две из них опубликованы в журнале, входящий в перечень ВАК. Список работ приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введенім, трёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Объём работы - 135 страниц, включая 62 рисунка, 5 таблиц. Список литературы включает 70 наименований.
