Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих методов и обоснование задач исследования 7
1.1. Особенности и методы формирования движений многозвенных роботов внутри труб малых диаметров 14
1.2. Моделирование движений миниатюрных внутритрубных многозвенных роботов 19
Заключение по главе 1 24
Глава 2. Анализ действия сил и моментов при масштабировании многозвенных систем 25
2.1. Движение многозвенного робота внутри труб малого диаметра при поступательном движении и выбор рациональных параметров 26
2.2. Сравнительный анализ движителей (электромагнитный, электромеханический, пьезоэлектрический), которые могут быть использованы в многозвенных внутритрубных минироботах 34
Заключение по главе 2 39
Глава 3. Разработка математической модели и моделирование многозвенных систем различных масштабов 41
3.1 Разработка математической модели и методов расчета режимов движения микроробота и ориентации в пространстве 43
3.2. Моделирование движения пушпульного внутритрубного робота в комбинированных трубах 57
3.3. К выводу рациональных параметров движения пушпульного внутритрубного робота 60
3.4. Внутритрубный робот с передвижением инерционного типа 64
Заключение по главе 3 72
Глава 4. Экспериментальные исследования. Области применения 73
4.1. Разработка испытательного стенда и методики экспериментальных исследований 73
4.2. Экспериментальное и компьютерное моделирование движения минироботов пушпульного типа в трубах малых диаметров заполненных различными жидкостями 84
4.3. Результаты проведенных экспериментальных исследований 85
4.4. Анализ состава и выбор навесного оборудования микроробота-труболаза. Проработка конструктивных решений для технической диагностики и оснащения микроробота 108
Заключение по главе 4 110
Заключение по диссертационной работе 111
Выводы 113
Список литературы 114
Приложение 119
- Моделирование движений миниатюрных внутритрубных многозвенных роботов
- Сравнительный анализ движителей (электромагнитный, электромеханический, пьезоэлектрический), которые могут быть использованы в многозвенных внутритрубных минироботах
- К выводу рациональных параметров движения пушпульного внутритрубного робота
- Экспериментальное и компьютерное моделирование движения минироботов пушпульного типа в трубах малых диаметров заполненных различными жидкостями
Введение к работе
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.
Моделирование движений миниатюрных внутритрубных многозвенных роботов
Очень часто возникают задачи в необходимости доставки каких-либо технических средств, инструментов или приборов, для проведения соответствующих операций в места затрудненные для проникновения или опасные для жизни человека. Например, для выполнения операций под водой, в космическом пространстве, на стенах высоких зданий, внутри сложных энергетических установок и т.д. В этом случае эффективно могут быть использованы робототехнические средства, способные обеспечить эту доставку и выполнение технологических операций в автоматическом режиме.
Одним из предтечей внутритрубных многозвенных роботов стал разработанный в Институте проблем механики РАН, мобильный многозвенный робот, предназначенный для передвижения по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. Его конструкция реализуется в виде многозвенной структуры, каждое звено которой разделяется шарниром, а крайние звенья выполнены в виде опор с элементами обеспечивающими прочное сцепление с поверхностью -рисунок 1.12.
Такая конструкция робота позволяет осуществлять перемещение как по наклонным, так и вертикальным поверхностям, а также преодолевать определенной высоты и ширины препятствия (трещины, уступы и т.п.), возникающие на пути его движения. Оборудование и приборы при этом могут быть установлены на корпусе отдельных звеньев или на опорах робота, а необходимые технологические операции могут выполняться как во время остановки, так и во время перемещения робота.
Многозвенная структура и подвижные шарниры дают возможность управлять маневренностью робота в широких пределах, что обеспечивает его перемещение в условиях недетерминированной обстановки или при возникновении неожиданных препятствий.
Возможность изготовления промежуточных частей в виде однотипных звеньев и шарниров позволяет унифицировать структуру робота и наращивать ее в случае необходимости для повышения его подвижности, если требуется двигаться в сложной обстановке, например, при хаотичном расположении элементов или даже внутри трубопровода. Размеры мобильного робота также благодаря этой унификации могут варьироваться в довольно широких пределах в зависимости от поставленной задачи. Это могут быть мини роботы (несколько сантиметров) и роботы с общей длиной в несколько метров.
Реальная механическая модель многозвенного мобильного робота (рисунок 1.12) состоит из трех средних (2, 3, 4) и двух крайних звеньев (1,2), на концах которых находятся устройства фиксации с поверхностью (6, 7). Между всеми звеньями находятся шарниры (8, 9, 10, 11), выполненные в виде расположенных перпендикулярно одна к другой полушестерен, которые обеспечивают поворот каждого звена с двумя степенями подвижности с помощью двух электромоторов, снабженных редукторами, через которые осуществляется связь осей электромоторов с полушестернями. Электромоторы и редукторы располагаются в корпусах каждого звена. Общее количество электромоторов - 8. Таким образом, число степеней подвижности, с которым может перемещаться в пространстве конечный элемент робота, равно 8. Устройства фиксации с поверхностью могут быть выполнены в зависимости от задачи в виде вакуумных присосок, электромагнитов или механических пальцев. Количество звеньев и их размеры могут изменяться в зависимости от необходимых требований. За счет увеличения числа звеньев увеличивается общая подвижность робота.
Моделирование движений миниатюрных многозвенных роботов внутри труб малых диаметров может выполняться на основе развития и адаптирования для решения подобных задач динамики систем, таких как MEMCAD и Universal Mechanism. Применение метода к исследованию движений миниатюрных систем в реальном времени позволило выяснить особенности мехатронной модели трехзвенного и пятизвенного миниатюрных роботов при действии электродинамических сил, сил сухого трения, адгезии, внешних гармонических возмущений. Были установлены условия реализуемости и особенности движений в трубках малого диаметра при определенных радиусах закруглений трубок.
В качестве примера приведена диаграмма движения пятизвенного робота в прямолинейной трубе (Рис. 1.13.) Звенья соединены между собой шарнирами. Причем каждый шарнир имеет две степени свободы, реализуемых двумя встроенными микродвигателями. Всего было промоделировано работа 8 микродвигателей. Симулюция движения робота внутри трубы осуществлялось посредством поворота соответствующего звена относительно шарнира. Минимальное число звеньев для реализации продольного вдоль трубы движения оказалось равным пяти. На Рис. 1.14 а, Ь, с, d представлены возможные вращения звеньев, Рис. 1.14 е, f, g иллюстрирует модельные движения при преобразовании вращательных движений в поступательные; на Рис. 1.14 h, і показаны конечные движения при перемещении на один условный шаг.
Были получены оптимальные соотношения длин звеньев Рис. 1.14 d при преодолении поворотов определенных радиусов закруглений трубы "R". Рассматриваются некоторые варианты реализации адаптивных систем управления, делается ряд рекомендаций по применению таких программ, как MATLAB, использования пакетов Fuzzy Logic и Neural Networks. Примеры реализации систем управления роботом на основе процессора нечёткой логики WARP с применением fuzzy-правил управления дают возможности для более качественного управления. Уделяется большое значение вопросам распределённого управления. Оно производится на основе методов локального и глобального управления при скоординированном управлении отельных механических звеньев транспортной системы робота или отдельных перемещающихся независимо роботов. В этом случае каждый механизм управляется собственной системой управления, но стратегия общего управления определяется глобальной системой управления через команды отдельным системам. При этом отдельные звенья системы или отдельные роботы группы подчиняются общей цели и задачам управления.
Сравнительный анализ движителей (электромагнитный, электромеханический, пьезоэлектрический), которые могут быть использованы в многозвенных внутритрубных минироботах
Особенности функционирования минироботов состоят в том, что, как правило, диагностические исследования и ремонтные работы с помощью таких минироботов проводятся в трубопроводах со средами, имеющими как избыточное давление, так и повышенную вязкость. Это воздушные системы, топливные системы и системы подачи масла узлов и агрегатов различных машин и механизмов. Это нефтепроводы и трубопроводы предприятий атомной промышленности, трубопроводы коммунальных служб, где внутренняя поверхность далека от идеальной. Поэтому исследованиям по движению минироботов в трубопроводах с различными средами отводится особое внимание.
В настоящее время существует несколько моделей минироботов для движения внутри труб с применением разнообразных приводов.
При движении в трубчатых сосудах, заполненных жидкостями, более плотными чем воздух (например: водой, маслом, горючими веществами, полимерными растворами, различными суспензами и.т.д.) используются принципы самопродвижения за счет возбуждения волновых продольных и поперечных колебаний самого корпуса или только гибкой оболочки и генерации в них бегущих волн смещения. Основными движителями таких миниатюрных роботов при волновом движении в трубчатых сосудах, заполненных вязкими жидкостями, являются пьезоэлектрические приводы, состоящие из тонких керамических пластин, которые изгибаются, когда к ним подается напряжение и возвращаются к первоначальной форме, если напряжение выключено. Выполненные оболочки корпуса миниробота из таких пластин создают продольные колебания и распространяется бегущая волна смещений. Другим способом получения продольных волновых колебаний оболочек микророботов является выполнение этих оболочек из полипиррола: материала способного сокращаться подобно мускулам при прохождении через них электрического тока. В настоящее время разработан ряд минироботов пушпульного типа для движения внутри труб, основанных на поступательном перемещении корпуса самого робота, а затем под действием возвратной пружины и подвижного упора. В качестве двигателя перемещения таких минироботов используются различные приводы: электрические двигатель, который вращает винт, по которому перемещается гайка, жестко скрепленная с подвижным упором. При вращении двигателя в разные стороны происходит то выдвижение упора, то перемещение корпуса самого робота. Еще одной конструкцией миниробота, где нашло применение электрического двигателя, является миниробот, состоящий из эластичного корпуса, выполненного в виде пружины, сжатие и распрямление которой происходит за счет скручивания гибких нитей, протянутых внутри корпуса между валом электродвигателя и одним из упоров робота. При скручивании гибких нитей происходит сжатие корпуса, а при раскручивании растяжение пружины. При всех этих действиях происходит продвижение микроробота. Данная конструкция позволяет перемещаться не только по прямолинейным участкам, но и преодолевать участки, где есть повороты и изгибы,
преодолевать углы более 90 . Еще одной разновидностью микророботов, применяемых для движения внутри труб является робот, движение которого осуществляется за счет ударного воздействия постоянного магнита на сердечник одного из 2-х электромагнитов в зависимости от направления движения. На катушки этих электромагнитов подаются импульсы напряжения. За счет амплитуды и длительности этих импульсов создается величина силы удара постоянного магнита. Сила и частота подаваемых сигналов и определяют направление и скорость движения робота. Управляемые упоры, установленные на корпусе микроробота, дают возможность оставаться ему неподвижно при отсутствии импульсов питания при вертикальном направлении движения.
Сравнение параметров электромагнитных, электромеханических и пьезоэлектрических двигателей используемых в составе внутритрубного робота, отражено в Таблице 2.1. Сравнение плотности энергии в двигателях - актюаторах: пьезоэлектрических, магнитных, сплавов с памятью формы, электростатических отражено в Таблице 2.2.
Особенности конструкции минироботов электромагнитного типа позволяют создавать типоразмерный ряд объектов с различными массо-габаритными и тяговыми характеристиками.
Несмотря на простоту конструкции электромагнитного миниробота по сравнению с другими существующими моделями минироботов данная модель имеет ряд преимуществ: -хорошая проходимость, так как в контакте с внутренней поверхностью трубы находятся только упоры миниробота, что особенно важно при движении внутри труб, имеющих всякого рода солевые отложения; -возможность данного миниробота передвигаться не только по горизонтальным участкам трубопроводов, но и по вертикальным и по окружности; -возможность миниробота перемещаться в трубах, заполненными жидкостями с различными коэффициентами вязкости при наличии и отсутствии избыточного давления; -высокие динамические характеристики; -простота моделирования различных ситуаций, которые возможны при движении электромагнитного миниробота внутри труб; -простота управления движением электромагнитным минироботом, высокая точность позиционирования; -незначительные размеры позволяют данному минироботу передвигаться в трубах с внутренним диаметром от 6 мм; - адаптация к изменению диаметров труб в определенных пределах и к изменению окружающих условий; - повышенная надежность при эксплуатации; - простота эксплуатации; - низкие стоимостные показатели. Основными недостатками минироботов для движения внутри труб малого диаметра электромагнитного типа являются: - малая (по сравнению с электромеханическими) величина полезной нагрузки; ограниченные возможности по преодолению разветвленных трубопроводов, - ограниченные возможности по реализации автономного движения на большие расстояния.
К выводу рациональных параметров движения пушпульного внутритрубного робота
Рассмотрим однозвенный пушпульный робот в наклонной прямолинейной трубе (см. рис. 3.16.). На шток действуют следующие силы: RM=R3- k{L - (хш -хк)) + mMgs ma, где R3 - сила, с которой соленоид втягивает шток, к - коэффициент жесткости пружины, L - расстояние между центрами масс штока и корпуса при максимальном выдвижении штока, хш, хК - координаты центра масс штока и корпуса соответственно, тш - масса штока; действующая на шток, Dw -коэффициент сопротивления среды движению штока.
На корпус же действуют силы: - масса корпуса. сопротивления среды движению корпуса. Уравнения движения робота будут выглядеть следующим образом: NK - сила реакции опоры для корпуса. Сила реакции опоры зависит от массы штока или корпуса соответственно, силы давления упора на стенки трубы и силы притяжения поверхности упора к поверхности трубы (так называемой силы адгезии), две последние силы пропорциональны площади соприкосновения упора с поверхностью. Таким образом, если упоры имеют одинаковые геометрические характеристики и сделаны из одного материала, то Движение робота - периодическое, каждый период состоит из двух фаз: втягивание штока за счет электромагнитной силы, и его выталкивание за счет выталкивающей силы пружины. Рассмотрим фазу втягивания штока (хш=0). Уравнения движения примут вид: Пусть х - координата центра масс робота, а М = тш + тк - его масса, тогда уравнение движения центра масс будет: Предположим, что упоры штока и корпуса одинаковы и отсутствует сопротивление среды, тогда уравнение движения центра масс робота примет вид: Mx = F - Mgshm - ju+N, где N = NK = Nw, F - сила тяги. Момент прохождения через общую точку пересечения парабол и будет моментом переключения управления (т. е. выключения тяговой силы) см. Рис. 3.17. Здесь по оси абсцисс отложена относительная координата ——, а по оси ординат относительная скорость х2 .
Конструкция робота, используемая на данный момент, основана на передвижении за счёт разных коэффициентов трения между рабочими поверхностями робота и трубы. В данной модели есть такой недостаток, как возможность застревания из-за небольшого увеличения коэффициента трения в одной из опор - рис 3.18. Если коэффициент трения движения вперёд в задней опоре больше, чем коэффициент трения движения назад в передней опоре, то робот не будет двигаться вперёд. Предлагаемая модель не имеет внешних движущихся частей и поэтому не подвержена таким событиям. Коэффициент трения вперёд и назад может быть одинаковым, а конструкция гораздо проще, диаметр не обязательно должен быть равен диаметру трубы - рис 3.19. В конструкцию входят корпус и сердечник. Сердечник, передвигаясь внутри корпуса, ударяет в переднюю стенку, передавая ей импульс. Получив импульс, корпус начинает двигаться вперёд. После остановки сердечник плавно отходит назад и разгоняется, корпус при этом остаётся неподвижным из-за наличия силы трения. Затем сердечник, разогнавшись, снова ударяет в корпус и снова передаёт ему импульс. Таким образом и происходит движение. Рассмотрим задачу о передвижении робота такого типа. Во время удара сердечника о корпус запишем законы сохранения энергии и импульса
Экспериментальное и компьютерное моделирование движения минироботов пушпульного типа в трубах малых диаметров заполненных различными жидкостями
Исследование зависимости скорости перемещения минироботов в трубах малого диаметра проводилось в средах различной вязкости при изменении диаметра робота в 1000 раз, а именно от 10 мм до 0.01 мм. Численные изменения функциональных параметров в зависимости от изменения диаметра приведены в таблице 4. 1.
Входные сигналы управления (рис. 4.10.) были установлены для минироботов со следующими геометрическими параметрами: диаметр 10 мм; 5 мм (рис. 4.10). Применение в качестве ферромагнитных материалов магнитной цепи высоколегированной электротехнической стали, а также уменьшение воздушного зазора до 1,5 мм при тех же габаритах электромагнитных двигателей значительно повысило тяговое усилие, что увеличило возможность по преодолению сил, которые препятствуют движению в среде, имеющей определенную плотность и вязкость.
Всякое тело при движении в среде испытывает сопротивление со стороны этой среды. Оно возрастает с увеличением скорости и зависит в большей мере от таких свойств среды как плотность и вязкость, а также от размера и формы этого тела.
Если скорость движущегося тела относительно не велика, то силу сопротивления можно считать пропорциональной скорости: Коэффициент пропорциональности К 0, а знак минус указывает, что сила сопротивления всегда направлена против движения. При движении в жидкости коэффициент пропорциональности К равен: При движении минироботов в трубах малого диаметра в средах с различными вязкостями с избыточным давлением в системе кроме силы сопротивления среды возникает сила, стремящаяся вернуть миниробот в состояние равновесия, причем величина силы пропорциональна отклонению от первоначального равновесия. Если обозначить через S расстояние от положения равновесия, а через W коэффициент пропорциональности, то величина силы будет равна: W2-S Указанная сила называется восстанавливающей. Дифференциальное уравнение движения миниробота в вязкой среде с избыточным давлением в системе примет следующий вид: X=l.[F,-DX-Fnp-Fmp-67rRti х- W2-5] т Исследования скорости перемещения минироботов в трубах малого диаметра проводились с различными средами при отсутствии и наличии избыточного давления в системе. Графики зависимости скорости перемещения миниробота от вязкости среды, отношения зазора к диаметру миниробота при отсутствии давления в системе представлены на рис. 4.11, где 1- вода; 2- трансформаторное масло; 3- нефть. Наибольшая скорость перемещения миниробота в воде, при других таких реагентах, как трансформаторное масло или нефть она снижается. Значительную роль в снижении скорости играет вязкость этих реагентов, а также коэффициент трения упоров, что приводит к проскальзыванию минироботов.
При наличии избыточного давления в системе скорость движения минироботов во всех средах значительно снижается. На рис. 4.12 показаны зависимости скорости движения минироботов различного диаметра в средах при наличии избыточного давления от отношения зазора к его диаметру.
Представляет интерес моделирование движения миниатюрного пушпульного робота при различных отношениях зазора к диаметру. Исследование зависимости скорости движения миниробота от величины внешней возбуждающей силы или величины тягового усилия при различных значениях обобщенного геометрического параметра, за который принимается отношение зазора к диаметру миниробота, позволяет выявить особенности динамики подобных систем микросистемотехники.
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 (рис. 4.13, рис. 4.14). В представленных номограммах на рис. 4.13 и на рис.4.14 соответственно, дается зависимость скорости движения минироботов в одинаковой вязкой среде от величины тягового усилия и отношения зазора к диаметру при отсутствии избыточного давления. При постоянном тяговом усилии зависимости скорости движения миниробота в вязкой среде от величины избыточного давления представлены на номограммах (рис.4.15, рис. 4.16). При этом моделирование проводилось при различных отношениях зазора к диаметру миниробота. Отметим, что зависимости получаются существенно иными, при этом тяговое усилие для робота диаметром 5 мм равно F3M = 0,125 Н, а для робота диаметром 10 мм составляет величину F3M = 0,25 Н, т.е. в два раза большую.
