Управление движением змеевидного микроробота

В настоящее время одной из основных тенденций современных технологий является уменьшение размеров компонентов, устройств и машин, входящих в технологические процессы и выполняющих производственные операции.

Принципы движения микророботов и реализующие эти принципы механические системы определяются их назначением, средой, в которой происходят движения, требованиями к выполнению поставленной задачи и условиями движения [1].

Строительство сложных инженерных сооружений, создание разветвленных трубопроводных систем индустриальных установок, крупных надводных и подводных судов гражданского и военно-морского флота ставят в настоящее время вопрос о разработке транспортных средств, передвигающихся по произвольно расположенным в пространстве поверхностям, а также внутри различных сосудов и трубопроводных систем. Рабочими средами, в которых осуществляется движение, могут быть воздух, вода, вязкие жидкости и т.п.

Микророботы могут выполнять следующие действия:

- техническая диагностика и ремонт трубопроводов малых диаметров на всех видах транспорта, в ракетных комплексах, главных энергетических установках подводных и надводных кораблей, в космических аппаратах;

- техническая диагностика трубопроводов в шахтах, подземных помещениях, хранилищах взрывчатых и радиоактивных веществ.

Разработка автономных микророботов змеевидного типа является одной из актуальных задач микроробототехники в транспорте. Одной из решаемых задач при разработке змеевидных микророботов является создание систем управления, на основе микропроцессорной техники с применением различных алгоритмов. В супервизорном режиме управления движением микроробота система управления строится в микропроцессорном выполнении с отображением на мониторе.

Передвижение по прямолинейному участку показано на рис. 1. Система управления микророботом при обходе препятствия показана на рис. 2, имеет цель осуществить взаимодействие между необходимым числом управляющих контроллеров для обеспечения устойчивости общего управления.

Рис. 1 Блок – схема управления микророботом

Рис. 2 Архитектура управления микророботом при обходе препятствия

Каждый контроллер характеризуется устойчивым номинальным законом, представляемым в виде следующей функции:

Функция адаптации задействуется в схеме блоком «адаптация параметров» каждый раз, когда наступает одновременное включение контроллеров. Блок «адаптация параметров» получает на вход информацию от блока «условий», который осуществляет проверку – отличается или нет контроллер, приводимый в действие в текущий момент времени t, от контроллера, который был приведен в действие в момент . Если ответ «да», то включается функция адаптации, т.е. блок «адаптация параметров». Задача предложенной архитектуры управления микророботом является обнаружение датчиками препятствия на пути следования к цели и подачи сигналов о необходимости обхода препятствия. За управляемую позицию принимается точка робота с координатами (l_x, l_y).

Для выполнения задания необходимы управляющий контроллер, который ведет робот по направлению к цели, и контроллер обхода препятствия.

Для контроллера, ведущего микроробот к цели, может быть использована классическая схема линейной стабилизации:

При этом точка (x, y) соответствует положению робота, а - положению цели.

Организация волнообразующего движения змеевидного тела формализована заданием уравнений, определяющих форму тела для любого момента времени. Уравнения, описывают волнообразное движение змеи микроробота в трубах автомобиля. Формулы для оценки скорости центра масс показывают, что скорость перемещения по поверхностям определяется параметрами пространственной бегущей волны.

Для организации движения змеевидного робота, создается математическая модель. Соотношение длин волн и относительного сдвига фаз выбирается так, чтобы обеспечить формирование изолированных областей контакта тела робота и опорной поверхности и обеспечить качение опорных модулей в зоне контакта. При движении микроробота по плоской поверхности в неизменном направлении бегущие волны изгибной деформации в двух перпендикулярных плоскостях перемещаются в одну и туже сторону вдоль его многозвенного тела.

Для осуществления передвижения и манипуляций многомодульного змеевидного робота в каждый момент времени задается межзвенный относительный угол [i] в каждом приводе шарнира, где , вычисляемый как разность двух абсолютных углов поворота соседних вилок – корпусов для каждой степени подвижности. Для задания абсолютного угла звена используется формула [2]:

где

где - амплитудный угол;

- количество звеньев участвующих в волне;

T - период колебаний волны;

- сдвиг фаз ортогональных волн;

i - номер шарнира являются параметрами формируемой волны изгибаний.

Скорость центра масс механизма [3]:

а) для прямолинейного движения имеет вид:

б) для бокового движения:

Для оценки скорости перемещения микроробота выбираются параметры движения горизонтальной плоскости. По оценке скорости перемещения оценивается расстояние, на которое микроробот должен переместиться за заданный промежуток времени.

Алгоритм планирования движения микроробота по заданной траектории состоит из следующих этапов:

1) заданная траектория разбивается на отрезки;

2) в абсолютных координатах определяется угол, на который должен повернуть микроробот при переходе с одного отрезка на другой;

3) выбираются параметры, которые будут реализовываться при движении микроробота по траектории;

4) по длинам отрезков и оценочной скорости перемещения микроробота высчитываются моменты времени, в которые должен произойти переход с одного отрезка на другой;

5) формируются абсолютные углы поворота звеньев волн для реализации движения микроробота.

Интенсивное развитие в последние годы нанотехнологий и нанохимии способствует открытиям новых материалов, которые при нагреве или охлаждение и при прохождение через них электрического тока, или при других воздействиях деформируются, изгибаются, сжимаются или удлиняются.

Кроме автономных активных микророботов с внутренним источником электроэнергии, для перемещения в различных средах могут применятся пассивные робототехнические устройства на основе новых материалов. Составленные из комбинаций подобных элементов механизмы микророботов могут сообщать их гибким оболочкам самые разнообразные деформации.

После проведенного нами анализа мы выделили следующие тенденции развития микроробототехники:

а) разработка алгоритмов и математических моделей по конструированию микророботов;

б) развитие мехатронного подхода к созданию микророботов;

в) уменьшение габаритов функциональных модулей;

г) разработка новых наноматериалов;

д) использование биотехнологий и биомеханики для создания микророботов.

Таким образом, микроробототехника является одним из важных перспективных направлений разработки средств современной техники в интересах ведущих отраслей промышленности. Развитие определяющих научно – технический прогресс отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе атомная энергетика, промышленное оборудование газонефтедобывающих и перерабатывающих отраслей, машиностроение, медицинская техника, биотехнология, связано с повышением производительности и качества конечного продукта, что ведет к усложнению технологических процессов производства и их автоматизации. Создание автоматических и роботизированных систем диагностирования труб с новыми свойствами невозможно без микророботов, как одних из средств автоматизации. Поэтому, микроробототехника актуальна и совершенно необходима в проверке и исправлении дефектов труб различного назначения.

Литература:

1. Градецкий В.Г., Князьков М.М., Фомин Л.Ф., Чащухин В.Г. Механика миниатюрных роботов; Ин – т проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН. – М.: Наука, 2010. – 271 с.

2. Корендясев А.И. Теоретические основы робототехники: в 2 кн./ А.И. Корендясев, Б.Л. Саламандра, Л.И. Тывес; под ред. С.М. Каплунова; Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. – М.: Наука, 2006. Кн. 1 . – 383 с. – Кн. 2. – 376 с.

3. Поезжаева Е.В. Промышленные роботы: учеб. пособие: в 3 ч. / Е.В. Поезжаева. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – Ч. 1. – 64 с.