Динамика двухсекционного аппарата с тросовым приводом для перемещения по трубопроводным системам тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Савин Сергей Игоревич

Динамика двухсекционного аппарата с тросовым приводом для перемещения по трубопроводным системам

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 / НОЯ 2014

Курск-2014

005555715

005555715

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор.

Заслуженный деятель науки РФ Яцун Сергей Фёдорович

Официальные оппоненты: Глазунов Виктор Аркадьевич, доктор технических наук,

профессор. Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, заместитель директора по научной работе

Поляков Роман Николаевич,

кандидат технических наук,

доцент, Госуниверситет-УНПК

(г. Орел), доцент кафедры

«Мехатроника и международный инжиниринге

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, ауд. Г-220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на официальном сайте ЮЗ ГУ http://www.swsu.ru

Автореферат разослан «(С» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.01

Лушников Борис Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мобильная робототехника является одной из динамично развивающихся областей науки и техники, что проявляется во все более широком применении роботов в различных областях человеческой деятельности. При этом сохраняется необходимость проведения дальнейших исследований по изучению движения мобильных аппаратов, пространство функционирования которых ограничено поверхностями, которые в общем случае могут быть как деформируемыми, так и недеформируемыми. Такие ограничения накладываются, например, на устройства, функционирующие в трубопроводах. Особенно сложной является задача организации движения мобильного объекта в трубопроводах малого диаметра (менее 20 мм), так как в этом случае, в силу ограниченности пространства, не удается разместить электроприводы на корпусе аппарата. Для решения задач, связанных с организацией функционирования мобильных роботов в подобных условиях требуется разработка новых технических решений.

Значительный вклад в исследования движения мобильных многозвенных аппаратов сделали ряд ученых, в том числе Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотник; В.Е. Павловский, Ю.В. Подураев, Ю.Г. Мартыненко, A.M. Формальский. Мобильные роботы, перемещающиеся в трубопроводных сетях, также являются объектами исследований многих ученых, в том числе В.Г. Градецкого, В.Г. Чащухина, С.Ф. Яцуна, Сигео Като и его коллег (Shigeo Kato, Nippon Institute of Technology), Се-Гон-Po (Se-gon Roh, университет Сонпонгван) и других. Для расширения технологических возможностей существующих внутритрубных роботов, могут быть использованы конструкции с приводами, вынесенными за пределы области функционирования устройства. Подобный принцип может быть реализован использованием тросового привода, где для связи приводов, находящихся вне трубы, с внедряемой в трубопровод частью устройства используется система гибких тросов. Сходные конструкции находят применение в медицине, в системах активных эндоскопов.

Одним из вариантов исполнения подобного устройства является разделение внедряемой части робота на две секции, связанные между собой упругим элементом. При этом особенности динамических режимов работы таких устройств изучены недостаточно, что не позволяет производить оценки качества их работы, а также оптимизировать их конструктивные параметры.

Поэтому изучение динамических режимов движения двухсекционного аппарата с тросовым приводом, разработка методик управления его движением и создания инструментальных средств проектирования подобных устройств является актуальной задачей.

Объектом исследования данной работы является двухсекционный аппарат с тросовым приводом, секции которого представляют собой многозвенные механизмы, звенья которых соединены шарнирами и линейными направляющими.

Предметом исследования являются динамические процессы, протекающие в двухсекционном аппарате с тросовым приводом.

Цель работы заключается в создании научных основ и инструментальных средств проектирования двухсекционных аппаратов с тросовым приводом.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: 1. Обзор и классификация устройств для перемещения по трубопроводным системам.

2. Разработка математического описания ограниченного пространства, в котором происходит перемещение.

3. Разработка последовательности этапов перемещения двухсекционного аппарата с тросовым приводом, позволяющая реализовать движение с управляемой точностью, где каждый из этапов характеризуется отличающимся взаимным расположением звеньев.

4. Описание характера взаимодействия изучаемого двухсекционного аппарата с внутренней поверхностью трубопровода для различных режимов движения -движения с отрывом от поверхности, движение при наличии неподвижной или скользящей по поверхности трубы точки контакта.

5. Создание математической мод ели, описывающей движение двухсекционного аппарата с тросовым приводом, с учетом взаимодействия с внутренней поверхностью' трубопровода.

6. Создание инструментальных средств проектирования, позволяющих подбирать параметры двухсекционного аппарата, производить численное решение дифференциальных уравнений, описывающих его движение, визуализировать результаты численного решения, производить анализ характера протекающих в устройстве динамических процессов.

7. Разработка методики определения диапазонов допустимых значений параметров среды, в которой двухсекционный аппарат способен перемещаться.

8. Создание экспериментальных стендов и макета робота, позволяющих проверить достоверность полученных результатов с помощью натурного эксперимента, изучать свойства динамических процессов, характерных для двухсекционного аппарата с тросовым приводом, а также производить идентификацию численных значений параметров модели.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической механики, линейной алгебры, аналитической геометрии, дифференциального исчисления, теории механизмов и машин, теории автоматического управления, теории планирования эксперимента и прикладного программирования.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель двухсекционного аппарата с тросовым приводом для перемещения по трубопроводным системам, секции которого связаны между собой через упругие элементы, причем каждая секция представляет собой многозвенный параллельный механизм. Модель составлена для различных этапов движения аппарата, и позволяет получать численные зависимости изменения положений и скоростей звеньев механизма от времени.

2. Разработана модель взаимодействия двухсекционного аппарата с шероховатой поверхностью, описывающая режимы движения устройства со скольжением, с отрывом от поверхности и с наличием одной неподвижной точки контакта.

3. Разработан алгоритм совместного численного решения систем дифференциальных уравнений, описывающих движение двухсекционного аппарата на разных этапах перемещения с учетом условий перехода между этапами.

4. Получены характеристики переходных процессов и установившихся режимов движения механизма для различных режимов движения двухсекционного аппарата с тросовым приводом при наличии программного управления и управления по ошибке с регулятором.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории механизмов и машин, дифференциального исчисления, линейной алгебры, теории планирования эксперимента. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований, разница между зависимостями, полученными экспериментально и в ходе математического моделирования, превышала погрешность измерения на величину, меньшую величины шага измерения.

Практическая ценность. Разработан программный комплекс, позволяющий производить моделирование движения двухсекционного аппарата с тросовым приводом, визуализацию полученных результатов и сохранять полученные результаты в формате, удобном для дальнейшей обработки в других программных средах. Также с помощью программного комплекса можно производить расчет параметров многозвенного аппарата. Программный комплекс может быть использован при проектировании двухсекционных аппаратов с тросовым приводом, предназначенных для перемещения по трубопроводным системам и для оценки качества их работы. Спроектирован экспериментальный стенд, позволяющий производить исследования физических характеристик макетов многозвенных аппаратов с гибкими звеньями и отдельных узлов этих аппаратов с целью проверки качества математических моделей и идентификации численных параметров этих моделей.

Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (г. Курск).

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены и одобрены на международных и российских конференциях: 15-я международная конференция Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines «CLAWAR 2012» (Университет Джонса Хопкинса, США, 2012), XVII Международная научно-техническая конференция «Мэтематическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления, и образования» (Пенза, 2012), 2-я Международная научно-практическая конференция «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2012), X Всероссийская научная конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление ИТСАИУ-2012» (Таганрог 2012), IV Международная молодежная научная конференция «Молодёжь и XXI век» (Курск, 2012), IV Международная научно-практическая конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2012), VIII Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки» (Москва, 2013), Международная научно-практическая конференция «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития» (Йошкар-Ола, Приволжский научно-исследовательский центр, 2013), IX научно-практическая конференция «Modérai vymoZenosti vëdy» (Praha, 2013), Международная заочная научная конференция «Актуальные вопросы технических наук» (Пермь, 2013), Международная конференция «Вибрация 2014: Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликована 19 печатных работ, включая 19 статей, из них - 3 работы в рецензируемых научных журналах, получены 5 свидетельств на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 137 наименований. Текст диссертации изложен на 199 страницах, содержит 70 рисунков, 4 таблицы и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, дана общая характеристика диссертации, описана научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе был проведен краткий обзор существующих разработок в области создания роботов для перемещения по трубопроводам. Рассмотрены классификации роботов данного типа, описанные в публикациях по данной тематике, предложена новая система классифицирования подобных устройств, подразделяющая роботов на категории по шести основным признакам: по типу используемых контактных элементов, характеру взаимодействия с поверхностью трубы, числу звеньев, принципу движения, расположению и типу приводов. Предложены три классификации типов трубопроводов, основанные на их геометрических характеристиках, формально описаны задачи, стоящие перед роботами, совершающими движение в трубопроводных сетях.

Во второй главе описан объект исследования. Предложена последовательность этапов перемещения устройства, позволяющая реализовать движение с управляемой точностью, где каждый из этапов характеризуется отличающимся взаимным расположением звеньев.

Устройство включает три троса и их оболочки, соединяющие два модуля устройства - внедряемый и приводной модули. Последний оснащен шестью электроприводами, управляющими перемещением тросов относительно их оболочек, и перемещением оболочек относительно корпуса модуля. Каждый из приводов тросов установлен на направляющей таким образом, чтобы его корпус мог перемещаться относительно корпуса модуля в направлении движения штока привода троса. Корпус каждого из приводов тросов соединен с оболочкой троса и пггоком привода оболочки, а корпус привода оболочки соединен с корпусом модуля. Тросы и оболочки соединяются со звеньями неподвижными соединениями. Приводной модуль установлен на мобильную платформу с четырьмя колесами, синхронно приводимыми в движение одним электроприводом (см. рис. 1).

Внедряемый модуль состоит из двух секций. Каждая секция включает пару звеньев, соединенных направляющими, так что они образуют поступательную пару пятого класса. Также каждая секция включает в себя по два контактных элемента, присоединённых механизму таким образом, чтобы при сближении звеньев, образующих поступательную пару, контактные элементы удалялись друг от друга.

у III

• направляющие, соединяющие ' платформу привода С корпусом

I - приводной модуль; II - гибкие тросы; III - внедряемый модуль 1-4 - первое, второе, третье и четвертое звенья; 5 - поводок, 6 -контактный элемент, 7 -направляющая, 8 - упругий элемент, 9, 10, 11 - первый, второй и третий тросы; 12-14 - оболочка первого-третьего тросов; 15 -колесо; 16, 17 - привод троса и привод оболочки, 18 - корпус приводного модуля

- коней оболочки троса. Шфегоеяной нл блоке

напрявллоиш^оедннтошы

Рисунок 1 Схема устройства

Рассмотрим этапы движения механизма. На первом этапе приводной модуль перемещает тросы и оболочки тросов таким образом, чтобы передняя секция двигалась вперёд. На втором этапе тросы и оболочки тросов движутся так, чтобы контактные элементы передней секции удалились друг от друга на некоторое расстояние, при этом она должна оказаться зафиксированной в трубе. На третьем задняя секция движется таким образом, чтобы ее контактные элементы сближались. По окончанию этого этапа задняя секция должна перестать бьггь зафиксированной (один из контактных элементов перестал касаться стенок трубы). На четвёртом этапе приводной модуль перемещает тросы и оболочки тросов таким образом, чтобы задняя секция двигалась вперёд. На пятом этапе задняя секция движется так, чтобы её контактные элементы удалились друг от друга, упершись в стенки трубы. На шестом этапе передняя секция движется так, чтобы её контактные элементы сблизились и по крайней мере один из них перестал касаться трубы.

Было произведено описание движения секции устройства. Трос и упругое звено были заменены на систему упругих элементов, потенциальная энергия которых является линейной функцией перемещения отдельных точек механизма. Расчетная схема показана на рисунке 2. Система может бьггь описана изменением во времени следующей системы обобщенных координат: д = [х, у, в х31 ]г, где х1,у1 -

координаты точки 01И в - угол между осью О^х, и отрезком СмС1г, х^ =||С,,С1;|.

поступательную пару; 3, 4, 5 - линейные упругие элементы, внедрённые для замещения троса и упругого звена, 6, 7, 8 - демпфер. Рисунок 2 Расчетная схема секции робота для движения с отрывом от поверхности

1, 2 - звенья секции, образующие поступательную пару; 3, 4, 5 -линейные упругие элементы, внедрённые для замещения троса и упругого звена, 6, 7, 8 - демпфер. Для системы характерны три режима движения. Первый характеризуется отрывом от поверхности, механизм при этом имеет 4 степени свободы (см. рисунок 2). Второй - наличием точки контакта (точка В,) перемещающейся по поверхности трубы, на механизм при этом действует нормальная реакция и сила трения скольжения (см. рисунок 3). Механизм при этом имеет 3 степени свободы. В третьем режиме одна из точек механизма остается неподвижной, механизм имеет 2 степени свободы (см. рисунок 4).

Рнсунок 3 Расчетная схема секции робота Рисунок 4 Расчетная схема секции для случая, когда точка контакта робота для случая, когда точка контакта скользит по шероховатой поверхности неподвижна

Условием перехода от второго режима к первому является обнуление величины нормальной реакции N. Для того, чтобы проверить, выполняется ли данное условие, было получено выражения для величины N:

Ыомимы-мии,л г _ at_ at

Здг. дх,) { ' ду. ду.) , (1)

fv эL t Э^Л А/иМ);-М,,М),Г )

м,3м„-м„ми[.' ав ъв) м,,äx=, )

где м,. - минор матрицы, составленной из коэффициентов при обобщенных ускорениях

в системе дифференциальных уравнений, полученных из уравнений Лагранжа; минор получен удалением i-ой троки и j-oro столбца. L - функция Лагранжа, J - функция

Релея, V - вектор, компонентами которого являются производные по времени от обобщенных импульсов, с обнулёнными обобщенными ускорениями „ = ,

Обратный переход возможен, если выполняются два условия: N>0 и В е'Г где "Г- П0лучаемая пересечением поверхности трубопровода с плоскости, в которой происходит перемещение. Аналогичные режимы могут быть введены для точки

выражение для силы трения, необходимой для удержания точки Я,: ^ °

I Эх. ЭiJ м1гм21-мгм,, йу,+ЭсГГ

Переход от второго режима к третьему заключается в обнулении скорости точки 5, (_ г, = 0) при величине силы трения покоя, не превышающей максимально допустимое значение: < лг • /

И°П0Льзуя УРавне«ия Лагранжа, дая каждого случая были получены дифференциальные уравнения, описывающие движение системы Ни!' показы уравнения, описывающие движения сшл^для слу^я ко«ст м то отрыв от поверхности. В представленных уравнениях с^Лс, - коэффици" жесткости, - обобщенные коэффициенты сопротивления т т -

««ассы основных звенься, У,моменты инерции звеньев. ' " '

¿«Л +«,К*„ +г|>( =0

.+ «.ЛшИ*. + соф) - ^,^¡0(0)) = + - - ^ + /г

Было предложено математическое: описание ограниченного ппостоанства « котором происходит перемещение. Пересечение поесрхносш ограЗиГющей данное пространство, и плоскости, в которой происходит перемещете Тдст^лТет собой две гладкие кривые. Зададим данные кривые параметр^ескиГГсшсобом-ГА |2 где п - параметр, изменяемый в заданном диапазоне

В третьей главе приведено математическое описание движения механизма с учетом влияния положения троса и упругого элемента на характер движения секции.

Представленный во второй главе метод моделирования устройства не позволяет учесть влияние нелинейного характера движения системы под действием упругого элемента и троса. Для того чтобы решить данную проблему предложено заменить упругий элемент и трос многозвенным механизмом с последовательно соединёнными звеньями. Модель устройства, представляющая собой плоский трехзвенный механизм, где первое и второе, а также второе и третье звенья соединены вращательными кинематическими парами пятого класса. Первое звено соединено вращательной кинематической парой пятого класса с неподвижным основанием (см. рисунок 5).

Часть робота, соединенная с концом троса, рассматривается как твердое тело с массой М и моментом инерции ./ (далее будем называть её грузом). Структурная схема механизма показана на рисунке 4. Отрезки О,С,, С,0г, ОгСг, Сг03, 03С3 и С304 имеют длину 0.5/,. Длину отрезка 0}А примем равной /2

Положение механизма определяется следующей системой обобщенных координат: ?=[?>, <Р2 РэГ- Была получена система дифференциальных уравнений, описывающая движение данного механизма:

где к - коэффициент жесткости, /I - обобщенный коэффициент сопротивления.

Рисунок 5 Структурная схема плоского тремвенного механизма

Было показано, как, используя полученное выражение 2 = (где 2 -

/---л

вектор обобщенных сил, - сила, приложенная к ¡-ой точке, ./, - матрица Якоби, записанная для радиус-вектора, определяющего положение 1-ой точки), можно определить величину вектора обобщенных сил для произвольной системы сил, действующих на механизм.

Записанная система уравнений была решена численными методами, для различных значений входящих в уравнения констант. Установившиеся значения обобщенных координат обозначим <р\, <р\ и <р\. Пусть (р\, <Р]\■

Зависимость д, от значения параметра к показана на рисунке 6.

Рисунок б Зависимость компонентов вектора <?, от параметра к; 1 -<р[(к), 2 -ф\{к), 3 - <р\{к) (а); зависимость положения точки О, от параметра к (б). По оси абсцисс использован логарифмический масштаб

Используя полученные зависимости совместно с экспериментальными данными об установившемся значении координаты точки 04, можно определить величину параметра к для каждой конкретной реализации изучаемого механизма.

Также в этой главе получено выражение для силы трения. Рассмотрен случай, когда механизм соприкасается с поверхностью трубопровода в точке Вг Пусть В, е г,. Если проекция скорости на касательную к ^ в точке В, не равна нулю, то силу трения, приложенную к механизму в этой точке, можно описать, используя модуль Кулона:

? = (3)

где д - единичный вектор, коллинеарный проекции вектора скорости точки В, на касательную к ; ? - единичный направляющий вектор касательной к в точке й,, /„* - коэффициент трения скольжения, N, - реакция опоры в точке контакта. Рассмотрен случай, когда проекция скорости точки В, на касательную к g1 в этой точке равна нулю. Тогда к механизму приложена статическая сила трения Р^, которая характеризуется тем, что она предотвращает движение точки В в

касательном к gl направлении: —Л.. ? = о. При этом на модуль статической силы

трения наложено следующее ограничение: •|л',|, где /„; - коэффициент

трения покоя. Было записано выражение для величины Р° :

К. = -

-аистп)+ (о-12сг„-сг„ст1:) +(<х21сг,г - о"нст„)

(5)

где

о- Э Г ^

дь эу

дд, дд. Л,, ао' "" Э^ (£ЙЭ?,. радиус-вектора, определяющего положение точки контакта трубопровода, на ось 0,х.

В четвёртой главе приведен алгоритм нахождения численных зависимостей, характеризующих движение механизма в трубопроводе.

1,7=1,3 х, - проекция с поверхностью

{ Нлчля»

Неполном н*е урмиеиий |2)ал1я«и>кде1ш* обобщенных ускоренна

Чясдепке интегрирование

Опредглеиме положения

Промеж* кличины

<с«оростн гочт коятат » -

( Конец )

Испоянонание зимненнй

1Ч.ЯЧ Д11 НЯЮТДСНЯЯ

обобщенны* ускорения

Рисунок 7 Алгоритм получения численных зависимостей, описывающих движение механизма

На каждой итерации известны текущие значения обобщенных координат. Используя эту информацию, определяется, касается ли механизм поверхности трубопровода. Если нет, то для нахождения обобщенных ускорений используется система

дифференциальных уравнений (4). Если точка касания есть, то определяется положение точки контакта, проверяется, равна ли скорость этой точки нулю. Если не равна, то определяется сила трегом с помощью выражения (5) и вычисляются обобщенные ускорения с помощью системы

дифференциальных уравнений.

Если скорость точки контакта равна нулю, то находится величина силы трения, необходимой для удержания этой точки в неподвижном состоянии с помощью выражения (5). Если полученная величина не превышает предельного значения статической силы трения, то эта величина подставляется в уравнения и определяются обобщенные ускорения. В результате выполнения указанных действий на каждой итерации получаются величины обобщенных ускорений, что позволяет находить обобщенные скорости и координаты численным интегрированием

Движение механической системы можно представить в виде перемещения точки в конфигурационном пространстве. Для рассматриваемого механизма конфигурационное пространство является трёхмерным, что позволяет визуализировать это движение, используя пространственные кривые. На рисунке 6

представлен случай, когда обобщенные координаты изменяются монотонно; показаны три траектории движения системы из трех различных начальных положений (далее будем называть начальное положение системы в конфигурационном пространстве начальной точкой). Использованные начальные

точки о •[-—■—■ л ■[ £.■*.) п / 1 " к

'Л 24' 36' 30/ V 18 ,_24'" 30/' 20 ~30' ~ 30

л

)'{ 24' "36' 30/

Рисунок 8 Движение системы в конфигурационном пространстве

Рассмотрено семейство кривых, описывающих перемещение механизма из множества начальных точек 23, принадлежащих некоторой линии (будем называть её начальной). Соединяя точки соседних кривых, соответствующие положению системы в один и тот же момент времени, можно получить поверхность в конфигурационном пространстве, которой принадлежат все положения системы, которые та займет при движении из любой точки, принадлежащей этой линии (см. рисунок 9).

б)

Рисунок 9 Поверхность положений начального отрезка; а) линия - прямой отрезок, б) - окружность.

- начальная

Особый интерес представляет случай, когда движение системы происходит под действием обобщенной силы, формируемой регулятором системы управления с обратной связью. Для данного случая сила & формируется следующим образом:

гДе Т - задающее воздействие, определяющее значение величины

X, которое должно быть достигнуто системой, кр - коэффициент регулятора. Подобный регулятор называется пропорциональным. Задающее воздействие

формируется следующим образом: Г = Т,где К ' амплитУда задаюиего

воздействия, СО - угловая частота (см. рисунок 10).

4

(\ ! / 1 / 1

ч í i

. \ j—о С L К Jv-lv—NU- п

t,C

б)

4

? i > |\ 1 2

rSü \ 1

й J I /7

t,C —

а) * ' '

1 — зависимость х(г), м; 2-зависимость F(f) (масштаб 1:20), Н; 3 - зависимость уА('), м (масштаб 5:1); 4- зависимость Т, м, а) й) = 2с ',б) й) = 5с 1 Рисунок 10 Движение системы с пропорциональным регулятором

Были разработаны программные

инструментальные средства, позволяющие производить расчеты характеристик движения устройства, используя полученные уравнения движения. На рисунке 11 показано окно одной из разработанных программ. Для удобства подбора параметров конструкции робота и для возможности оценивать влияние величины этих параметров на конструктивные характеристики робота была разработана программа подбора параметров робота. Программа написана на языке С++ в среде Embarcadero RAD Studio ХЕ, С++ Builder.

Рисунок 11 Окно программы визуализации расчетных данных

Для проведения экспериментальных исследований была разработана серия

экспериментальных стендов. На рисунке 12 показан макет изучаемого аппарата,

использованный при проведении части экспериментов.

Для проверки адекватности математической

модели, был проведен следующий эксперимент.

Экспериментальный образец робота закрепили

таким образом, чтобы его задняя секция

оставалась неподвижной, а вторая была

подвешена на гибком упругом элементе.

Приведём устройство в некоторое начальное

положение, не являющееся устойчивым. После

Рисунок 12 Макет этого позволим устройству перемещаться, при

у ______ ____этом передняя секция совершает колебания.

двухсекционного аппарата у

гибкого ''? ^которой точки устройства, например, точки соединения

гибкого элемента и секции (далее точка 5), и построим соответствующую зависимость. После этого получим ту же зависимость, решая дифференциальные уравнения движения устройства. Сравним полученные двумя описанными методами зависимости (см. рисунок 13).

1 - результаты моделирования; 2 -

экспериментальные данные; Рисунок 13 Сравнение зависимостей перемещения точки в вдоль оси 0,У, полученных путем экспериментального исследования и математического моделирования

Анализируя приведённые зависимости, удалось выявить, что разница между зависимостями, полученными экспериментально и в ходе математического моделирования, превышала погрешность измерения на величину, меньшую величины

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании проведенных исследований и обобщений в диссертации была

решена актуальная задача и получены следующие научные и практические

результаты: '

1. Произведены обзор и классификация устройств для перемещения по трубопроводным системам.

2. Произведено математическое описание ограниченного пространства, в котором происходит перемещение.

3. Разработана последовательность этапов перемещения двухсекционного аппарата с тросовым приводом, позволяющая реализовать движение с управляемой точностью, где каждый из этапов характеризуется отличающимся взаимным расположением звеньев.

4. Произведено описание характера взаимодействия изучаемого двухсекционного аппарата с внутренней поверхностью трубопровода для различных режимов движения - движения с отрывом от поверхности, движение при наличии неподвижной или скользящей по поверхности трубы точки контакта

5. Создана математическая модель, описывающая движение двухсекционного аппарата с тросовым приводом, с учетом взаимодействия с внутренней поверхностью трубопровода.

6. Созданы инструментальные средства проектирования, позволяющие подбирать параметры двухсекционного аппарата, производить численное решение дифференциальных уравнений, описывающих его движение, визуализировать результаты численного решения, производить анализ характера протекающих в устройстве динамических процессов.

7. Разработана методика определения диапазонов допустимых значений параметров среды, в которой двухсекционный аппарат способен перемещаться.

7. Разработана методика определения диапазонов допустимых значений параметров среды, в которой двухсекционный аппарат способен перемещаться.

8. Созданы экспериментальные стенды и макет робота, позволяющие проверить достоверность полученных результатов с помощью натурного эксперимента, изучать свойства динамических процессов, характерных для двухсекционного аппарата с тросовым приводом, а также производить идентификацию численных значений параметров модели.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Савин, С.И. Экспериментальные исследования управляемого движения робота с внешними актуаторами для мониторинга трубопроводов малого диаметра [Текст] / С.И. Савин, С.Ф. Яцун, С.Б. Рублев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. №4 (5). Т. 14. С. 1277-1279.

2. Яцун, С.Ф. Испытательный стенд для изучения динамики робота для перемещения по трубам [Текст] / С.Ф. Яцун, С.И. Савин, О.С. Тарасов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. №4 (43). Ч. 2. С. 221-224.

3. Яцун, С.Ф. Экспериментальные исследования вертикального перемещения робота для мониторинга трубопроводных систем [Текст] / С.Ф. Яцун, С.И. Савин // Известия Юго-Западного государственного университета 2012. №5 (44). 4.2. С. 199202.

Другие публикации

1. Jatsun, S. Pipe inspection robot with parallel and flexible structure [Text] / S. Jatsun, A. Yatsun and S. Savin // CLAWAR 2012. The 15th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Johns Hopkins University, USA, 2012. 713-722 pp.

2. Jatsun S. Experimental study of vertical movements of in-pipe inspection robot [Text] / S. Jatsun, S. Savin, S. Rublev // IX sb£rne nädobS obsahuji materiäly mezinärodnf vädecko - praktickä konference Modemi vymoienosti vädy / Praha: Publishing House «Education and Science», 2013. 35-39 pp.

3. Багина, O.A. Методики испытаний роботов, предназначенных для работы в трубопроводных сетях [Текст] / O.A. Багина, С.И. Савин, О.С. Тарасов, Г.В. Климов // Современные материалы, техника и технология: материалы 2-й Международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012. С. 53-55.

4. Багина, O.A. Экспериментальные исследования перемещения робота вверх по вертикальной трубе [Текст] / O.A. Багина, С.И. Савин, О.С. Тарасов // Современные материалы, техника и технология: материалы 2-й Международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012. С. 55-59.

5. Казарян, К.Г. Варианты конструкции робота для перемещения по полостям [Текст] / К.Г. Казарян, С.И. Савин // Молодёжь и XXI век: материалы IV Международной молодёжной научной конференции: в 3 т. Т 3 / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012. С. 211-215.

6. Казарян, К.Г. Робот с параллельной структурой для исследования трубопроводных систем [Текст] / К.Г. Казарян, С.И. Савин // Молодёжь и XXI век: материалы IV Международной молодёжной научной конференции: в 3 т. Т 3 / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012. С. 215-218.

7. Савин, С.И. Обзор современного состояния вопроса проектирования роботов для перемещения внутри трубопроводов [Текст] / С.И. Савин // Актуальные вопросы

20™С8-Ш НЭУК (1'): МаТ£рИаЛЬ' Межл>'наР- за°ч- наУ- конф. Пермь: Меркурий,

8. Савин, С.И. Разработка устройства для автоматического транспорта диагностического оборудования по трубопроводам [Текст] / С.И. Савин // Сово направления научно-исследовательской деятельности аспирантов и молодых научно-педагогических работников ЮЗГУ: сборник статей победителей I Конкурса научно-^следовательских работ аспирантов и молодых научно-педагогическийработников ЮЗГУ / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012. С. 30-39.

9. Савин, С.И. Разработка устройства для автоматического транспорта ™,°,СТеСК°«° °б°РУД0ВаИИЯ трубопроводам [Текст] / С.И. Савин // Молодае ученые Курской области: открытия, достижения, победы: сб. информационных и научных материалов / ООО АПИИТ «Гиром» Курск, 2012. С. 20-21.

10. Савин, С.И. Математическое моделирование работы устройства для

перемещения в трубопроводах [Текст] / С.И. Савин // Материалы IV Межд. научно-

<<Дос™жения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» / БГТУ - Брянск, 2012. С. 5-6.

И. Савин, С.И. Проектирование робота для перемещения по трубопроводным сигмам [Текст] / С.И. Савин // Математическое и компьютерное Дувани в ХУПМ™4 СТР°"теЛЬСгеа' «хники, управления, и образования: сборник статей РИО m-CX^2oTc 7^8Н°-ТеХНИческой конференции / МНИЦ ПГСХА - Пенза:

С" К вопросу проектирования робота для перемещения в трубопроводных сетях [Текст] / СИ. Савин, О.С. Тарасов // Актуальные вопросы науки: Материалы VIII Международной научно-практической конферен^Г / М

Издательство «Спутник+»,2013.-с. 14-16. ^ "

13. Савин, С.И. Проведение экспериментальных исследований работы устройства для транспорта диагностического оборудования по трубопроводам [Текст] / СИ Тарасов // Технические науки: современные проблемы и перспективы развития, I Международная научн.-пракг. конф. / ЙошкарЮл^ Приволжский на^о исследовательский цешр, 2013. С. 38-39. «аучно

С"ин> С'И- Исследование вертикального перемещения робота для перемещения по трубопроводам с разомкнутой системой автоматического управления [Текст] /

ИТСАИУ20П г1НФ°РМаЦИ0ННЫ^ ГХН0Л0ГИИ' системн"й анализ и управление ИТСАИУ-2012» Сборник трудов X Всероссийской научной конференции молодых

учёных, аспирантов и студентов / Таганрог: Издательство Южного федерального университета, Т.З 2012. С. 53-57. ^

15. Тарасов, 0:С. Экспериментальный сгенд для исследования движения робота для перемещен по трубопроводам с разомкнутой системой автоматического управления [Текст] / О.С, Тарасов, С.И. Савин // «Информационные технологии, системный анализ и управление ИТСАИУ-2012» Сборник трудов X Всероссийской научной конференции МОЛОдых ученых, аспирантов и студентов / Таганрог: Издательство Южного федерального университета, Т.З 2012. С. 58-61.

16. Яцун, С.Ф. Кинематический анализ многозвенного робота для перемещения в трубопроводах [Текст] / С.Ф. Яцун, С.И, Савин // Управляемые вибрационные I!™0™™" и машины, сб. науч. ст.: в 2 ч. Ч 2 / Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2014. С.

Подписано в печать_._.14. Формат 60x84 1/16.

Печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ "г-г. Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94. Отпечатано в ЮЗГУ