Исследование управляемых движений миниатюрных многозвенных роботов для действий в ограниченных пространствах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.05, кандидат технических наук Князьков, Максим Михайлович

• Князьков, Максим Михайлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Князьков, Максим Михайлович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование управляемых движений миниатюрных многозвенных роботов для действий в ограниченных пространствах»

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.

Заключение диссертации по теме «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», Князьков, Максим Михайлович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Князьков, Максим Михайлович, 2007 год

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.