Динамика управляемого движения шестизвенного мобильного внутритрубного робота

Мальчиков, Андрей Васильевич

Динамика управляемого движения шестизвенного мобильного внутритрубного робота тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Мальчиков, Андрей Васильевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика управляемого движения шестизвенного мобильного внутритрубного робота»

Автореферат диссертации на тему "Динамика управляемого движения шестизвенного мобильного внутритрубного робота"

На правах рукописи

Мальчиков Андрей Васильевич

Динамика управляемого движения шестизвенного мобильного внутритрубного робота

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 "ОН ¿013

005061644

Курск-2013

005061644

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Яцун Сергей Федорович

Глазунов Виктор Аркадьевич,

доктор технических наук, профессор, Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, заведующий лабораторией теории механизмов и структуры машин

Ведущая организация:

Майоров Сергей Владимирович,

кандидат технических наук, Госуниверситет - УНГТК (г. Орел), доцент кафедры «Мехатроника и международный инжиниринг»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет „СТАНКИН"»

Защита состоится 25 июня 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан «И» мая 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета г— /

Д 212.105.01 Лушников Борис Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Трубопроводы являются основными элементами систем транспортировки газообразных и жидких веществ, а также твёрдых веществ в виде растворов на большие расстояния. В процессе эксплуатации на внутренней поверхности трубы возможно появление трещин, коррозии, отложений. Использование робототехнических средств, обеспечивающих мониторинг состояния трубопровода, позволяет предотвратить аварийные ситуации и сократить расходы на обслуживание трубопровода благодаря своевременному ремонту отдельных секций трубы. Таким образом, разработка и изучение мобильных роботов, позволяющих осуществлять мониторинг состояния внутренней поверхности трубопровода, является актуальной задачей.

Одним из перспективных методов движения мобильных роботов, развивающимся в последние годы в Институте проблем механики им. A.IO. Ишлинского РАН, Юго-Западном государственном университете (Курск), МГТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург), Техническом университете Ильменау (Германия) и других исследовательских центрах, является метод, основанный на применении змееподобного и червеподобного принципов движения. В основе этого способа лежит многозвенная структура робота, а принцип движения основан на периодическом изменении формы тела устройства. Многозвенные конструкции исследовались в работах Н.И. Левитского, В.А. Глазунова, И.И. Артоболевского и др. Возможность перемещения многозвенных конструкций внутри ограниченного пространства анализировалась в работах Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотника, Т.Ю. Фигуриной, С.Ф. Яцуна, М. Dovica, G. Rizzoto, S. Hirose, Y. Shan и др.

Использование многозвенной структуры устройства позволяет решать задачи не только прямолинейного движения в горизонтальной плоскости с высокой проходимостью, но и движения внутри изогнутых, наклонных, деформированных участков трубопровода. Поэтому разработка конструкций и исследование динамики многозвенных мобильных роботов, способных перемещаться внутри трубопроводов сложной геометрии, является актуальной задачей.

Объектом исследования данной работы является мобильный внутритрубный шестизвенный робот, оснащенный нелинейно-упругими опорными элементами, предназначенный для перемещения внутри трубопроводов сложной топологии.

Предметом исследования данной работы являются динамические процессы, протекающие в управляемой многозвенной робототехнической системе при движении.

Цель работы заключается в создании научных основ и инструментальных средств проектирования многозвенных мобильных внутритрубных роботов с изменяемой формой корпуса, оснащенных нелинейно-упругими опорными элементами, выявлении закономерностей движения, анализе динамики и синтезе их параметров.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения многозвенных механизмов в конструкциях мобильных внутритрубных роботов.

2. Разработка математических моделей движения плоского шестизвенного робота с учетом свойств электропривода и взаимодействия с шероховатой поверхностью в различных режимах функционирования.

3. Разработка математической модели и методики расчета динамического процесса взаимодействия внутритрубного робота с поверхностью трубопровода посредством нелинейно-упругих опорных элементов.

4. Разработка схем активных опорных элементов ползающих роботов.

5. Разработка инструментальных средств проектирования для определения конструктивных параметров и настройки системы автоматического управления приводов робота в зависимости от свойств и геометрии трубопровода.

6. Исследование динамических особенностей движения робота и синтез законов управления электроприводами многозвенного устройства.

7. Разработка макета шестизвенного мобильного робота и проведение натурных экспериментов по исследованию фиксации и движения робота.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с применением теоретических и экспериментальных методов теории машин и механизмов, теоретической механики, теории автоматического управления, теории электропривода, а также теории планирования эксперимента и прикладного программирования.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Теоретически обоснованный принцип перемещения мобильных внутритрубных многозвенных роботов, оснащенных нелинейно-упругими опорными элементами, заключающийся в периодической управляемой фиксации корпуса устройства под действием крутящих моментов, развиваемых электроприводами ограниченной мощности.

2. Математическая модель плоского шестизвенного внутритрубного мобильного робота, отличительной особенностью которой является учет динамических процессов, протекающих в электроприводах ограниченной мощности, сил трения, возникающих в точках контакта корпуса робота и поверхности трубы, сил трения и вязкого сопротивления в шарнирах устройства, динамических процессов взаимодействия робота с поверхностью трубопровода посредством нелинейно-упругих опорных элементов, оснащенными концевыми выключателями.

3. Алгоритмы перемещения устройства в ограниченном пространстве, включающие режимы определения геометрии трубопровода, за счет использования опорных элементов, оснащенных концевыми выключателями.

4. Научно обоснованная методика расчета параметров конструкции, определения мощности двигателей и синтеза параметров регулятора системы автоматического управления приводами устройства, учитывающая процессы взаимодействия устройства с внешней средой.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность. Разработана инженерная методика расчета параметров шестизвенного внутритрубного робота, позволяющая определять численные значения параметров в зависимости от геометрии и свойств трубопровода в различных режимах функционирования устройства. Данная методика может быть использована при проектировании внутритрубных роботов для мониторинга состояния трубопроводов. Разработан экспериментальный стенд, включающий прототип шестизвенного робота и макеты различных секций трубопровода,

позволяющий проводить экспериментальные исследования процесса фиксации и движения устройства, производить настройку системы управления привода, отрабатывать алгоритмы перемещения для секций различной топологии.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственных контрактов в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракты П 1576, П0971, а также соглашение №14.132.21.1718 от 01.10.12, по теме «Разработка устройства для перемещения внутри трубопроводов переменного диаметра»). Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (г. Курск), и в производственный процесс ФГУП «Курский научно-исследовательский институт» МО РФ.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены и одобрены на II Международной научно-практической конференции «Science and Education» (Munich, Germany, 2012), XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС - 2011»: (Москва, 2011), Международной молодежной конференции «Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития» (Орехово-Зуево, 2012), Международной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук (II)» (Пермь, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2012), VIII международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (Москва, 2013), X научно-технической конференции «Вибрация-2012. Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, 2012), совместном заседании кафедр «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ (Курск) и «Мехатроника и международный инжиниринг» Госуниверситета - УНПК (Орел, 2013), Международной выставке промышленного оборудования, технологий и материалов «Hannover Messe 2013» (Ганновер, Германия), семинаре Института машиноведения РАН им. A.A. Благонравова (Москва, 2013), семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (Курск, 2011-2013 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, включая 7 статей, из них 3 работы в рецензируемых научных журналах, получено 3 свидетельства на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 112 наименований. Текст диссертации изложен на 178 страницах, содержит 114 рисунков, 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе представлен обзор существующих способов перемещения внутри трубопроводов. Выполнен обзор существующих конструкций внутритрубных роботов, выявлены их преимущества и недостатки, приведена их классификация. Проанализирована эффективность использования принципа перемещения, основанного на изменении формы корпуса, для перемещения внутри трубопроводов сложной топологии и с возможным наличием отложений. Представлен обзор опорных

элементов и педипуляторов роботов, предназначенных для перемещения по вертикальным поверхностям, приведена их классификация.

Во второй главе выполнен анализ среды функционирования робота, предложена математическая модель трубопровода, описывающая рабочую область шестизвенного механизма в виде систем неравенств отдельно для каждого из типов секций трубопровода.

Описана конструкция объекта исследования и принцип перемещения устройства, основанный на поочередной фиксации за счет сил трения в точках контакта робота с поверхностью трубопровода (рис. 1).

Мобильный внутритрубный робот выполнен из шести сочлененных звеньев-корпусов 1 - 6. Между звеньями установлены цилиндрические шарниры 7 - 11 с электроприводами 12 - 16, обеспечивающими угловое смещение звеньев-корпусов 1 - 6 относительно друг друга. В шарнирах 7 - 11 и на концах звеньев 1 и 6 расположены опорные элементы 17-23 с встроенными контактными датчиками. Контакт опорных элементов 17, 18 и 19 достигается путем поворота звеньев-корпусов в шарнирах 7-11 под действием электроприводов 12 - 16. При этом момент касания опорных элементов фиксируется встроенными контактными датчиками.

Принцип перемещения мобильного внутритрубного многозвенного робота заключается в следующем. Под действием крутящего момента в шарнире 7, развиваемого электроприводом 12, происходит поджатие звеньев к поверхностям стенок трубопровода. Сила трения, возникающая в точках контакта, обеспечивает фиксацию устройства (далее режим динамической фиксации робота). Затем звенья 3 -6 перемещаются вдоль трубопровода под действием крутящих моментов в шарнирах 8 и 9 (далее режим перемещения звеньев). После осуществления перемещения на заданный угол, который определяется системой управления согласно текущему положению робота и геометрии трубопровода, происходит поджатие звеньев 5 и 6 к поверхности трубопровода. За счет расклинивания звеньев 5 и 6 происходит фиксация робота внутри трубы. Затем звенья 1 - 4 перемещаются, перенося центр масс робота по направлению движения. Далее цикл движения робота повторяется.

Алгоритмы перемещения устройства в ограниченном пространстве основываются на строго последовательной смене режима динамической фиксации и режима перемещения звеньев для обеспечения устойчивости системы в процессе движения в вертикальных или наклонных секциях трубопровода.

Разработана математическая модель шестизвенного мобильного робота, включающая: моделирование режима динамической фиксации робота за счет расклинивания звеньев внутри трубы; моделирование режима перемещения звеньев с учетом сил трения и вязкого сопротивления в шарнирных узлах, а также динамики электропривода.

1 А У

У у 5 у /

/ у

1 ц.т у <

у У / С*! 2 3 Д. АЗ тр ' / ? к

II > / у у /

Мп " И4' ул,

Рис. 2 Расчетная схема мобильного робота в режиме фиксации: I - подвижные звенья робота; II - фиксируемые звенья

Расчетная схема режима динамической фиксации

внутритрубного робота

изображена на рис. 2.

На данной схеме приняты следующие обозначения: С - сила тяжести робота (в

рассматриваемом случае

направлена вертикально вниз и приложена в центре тяжести системы); - сила тяжести ;'-го звена; Ки - реакция в шарнире А2, рассматриваемая далее как две составляющие ¡С и Яу; Я32 -реакция в шарнире А3, приложенная под углом р к

нормали от 2-го звена; а - угол между звеном и перпендикуляром к поверхности трубопровода; Л/12 - крутящий момент, развиваемый электроприводом; с/ - диаметр трубы; / - длина звена; М32 - внешний крутящий момент, приложенный к системе; ■г iтр ~ приведенная сила трения, позволяющая роботу сохранять свое положение под действием силы тяжести. С целью приведения системы к статически определимой опоры в точках Л2 и А, считаем абсолютно гладкими, а в точке А3 будем

рассматривать результирующую

Л^-Л^'-Л* =0; = 0;

-М

/,, 1-

= 0;

силу трения, определяемую как произведение суммы нормальных реакций в точках контакта на коэффициент силы трения: р = + Илг +ЛГ'43), где ИА',

-Л^3+.Г12 + Д32-со8(/?-а) = 0; (1)

Л32 -5т(/?-а) = 0;

Ма +Мп ~соъ(а)-Р' 1г соз(а)-

N , N - силы нормальной реакции; к - коэффициент сухого трения.

При разработке

математической модели были сделаны следующие допущения. Все тела рассматриваем как абсолютно твердые, трубу считаем

неподвижной и однородной, движение звеньев 3 - 6 не рассматриваем, а их влияние на динамику процесса фиксации представляем в виде обобщенной силы реакции Л32 и внешнего момента Мц. Процесс фиксации и предельный случай движения конструкции под действием сил тяжести описывается системой уравнений (1), М - суммарная масса робота.

Сила трения определяется согласно выражению (2).

■ 8т(а) + Ягг со• /2 =0;

+ /•„/„ = и.

у*'ёп(у)> если У*0; если у = 0! и

(2)

если ¿ = 0 >А

кроме силы сухого трения. В уравнениях, описывающих динамику электропривода: ¿я и гя - индуктивность и сопротивление цепи якоря; Си - моментный коэффициент пропорциональности; и и 1Я - питающее напряжение и ток в цепи

С /

якоря электропривода; М12 = м ' -

крутящий

развиваемый

электроприводом.

Таким образом, система уравнений (1), описывающая динамику процесса фиксации, имеет 2 обобщенные координаты и 3 неизвестные нормальные реакции. Для получения численного решения используются оригинальные методики, основанные на методе Эйлера. Из уравнений, описывающих статическое равновесие звеньев системы (1), можем получить аналитические выражения для сил нормальных реакций и реакций в шарнирах, что позволяет определять оптимальные параметры конструкции в зависимости от свойств трубопровода и его размеров.

Введение геометрического соотношения Я = йГ// позволило получить ряд зависимостей, характеризующих поведение системы при различных значениях крутящего момента и коэффициента трения в точке контакта (рис. 3).

[.V". н

М|2, Нм зи /—к=0.6

/.=0.4 >.=0.2

...........М12, Нм

О 0.: 0.4 0.6 08 1 0 0.4 0.8 1.2 Гб Рис. 3 Графики зависимостей крутящего момента от геометрического коэффициента >. и нормальной реакции от крутящего момента для различных диаметров трубы

Полученные графики зависимостей позволяют выполнить подбор параметров конструкции и рассчитать требуемую мощность привода для различных известных параметров трубопровода и проектируемого устройства.

Далее была разработана математическая модель шестизвенного робота в режиме перемещения звеньев. Рассмотрим схему робота внутри трубопровода (рис. 4). Звенья 1 и 2 осуществляют фиксацию робота внутри трубопровода за счет сил трения. Точку А3 считаем неподвижной. Введем неподвижную систему координат с центром в точке А3, повернутую на угол ¿"относительно линии горизонта. Звенья 3 и 4 осуществляют перемещение звеньев 5 и 6 под действием крутящих моментов м2з и А/34. Примем, что центры масс звеньев и А^А5 расположены в их геометрических центрах Оъ, 04. Введем подвижные системы координат ХъУъОъ и связанные с

центрами масс звеньев. В точке А5 действует приведенная сила и приведенный момент Мь.

При разработке математической модели был сделан ряд допущений: относительное движение звеньев 5 и 6 не рассматривается, а их влияние на динамику процесса движения звеньев 3 и 4 определяем внешней силой /*,- и моментом М5, приложенными в точке А5-, взаимодействие с поверхностью трубы не рассматриваем (движение происходит в пределах рабочей области).

Согласно расчетной схеме выберем в качестве обобщенных

з^ т.™я гориста координат углы поворота звеньев (Р,,

Рис.4 Расчетная схема управляемого движения звеньев робота

<р4, а также токи в обмотках двигателей /и /V Система уравнений, описывающих динамику движения звеньев, имеет вид:

+ т-Д,)+ ~т41,14ф4 соэ( <р, - <р4) + іт41,14ф24 зт(<ръ-<рА) = = Мгъ - М\,р + а5 - <р3) + тАё14соа( £ + <рг) + т^-С05( £ + <р,У,

J,, +

тЛ 1

+ ^ШлУнФг соэ( <ръ-<р4)- ~т41314ф* <р3-<р4) =

= Мм-М\р + Мь + /у4 5Іп( а5 - <р4) + mtg ~соз( ^ + (»,);

(3)

4 V, = (/4;

где моменты электроприводов определяются как М7,=^,М34 = ф*3=<р3~%Н

'рел 'ред

Ф**=<Р*-<Рг ~ углы относительного перемещения звеньев; М - момент силы трения в шарнирном соединении звеньев;

М^'щп^Х если Ф3*0-М"Р = • И м"ат> если Фг = 0 и 12 М™""; (4)

еслиф, =0|2мз",™,|>Л/,*т°рсд, где 2>ГШ - сумма моментов внешних сил, действующих в шарнирном соединении; ^трпрсд _ Предельныд момент силы трения.

Полученная система для уравнений (3) с учетом (4) позволяет описать процесс перемещения звеньев под действием крутящих моментов, создаваемых

электроприводами, с учетом сил трения в шарнирах, а также динамических процессов, протекающих в электромеханической системе.

Графики зависимостей, полученные в ходе моделирования движения звеньев под действием крутящего момента М,2, для различных законов изменения задающего воздействия системы управления электропривода показаны на рисунках 5, 6.

Рис. 5 Графики зависимостей характеристик процесса движения от времени при прямоугольном законе изменения задающего воздействия: 1 - угол поворота звена; 2 -закон управления; 3 - угловая скорость перемещения звена; 4 - ток на якоре двигателя; 5 - напряжение питания

Л.РМ'С

, 1 1 . -Рис. 6 Графики зависимостей характеристик процесса движения от времени при гармоническом законе изменения задающего воздействия: 1 - угол поворота звена; 2 -закон управления; 3- угловая скорость перемещения звена; 4 - ток на якоре двигателя; 5 - напряжение питания

. Ш/ = 0,07 кг = 0,06 кг \ ,'¿¿¡—-'"1 = 0,05 кг

Полученные результаты позволяют говорить о необходимости использования непрерывных законов регулирования перемещения звеньев, с целью снижения

динамических эффектов возникающих вовремя переходного процесса.

Колебательный характер

~т, = 0.04 кг перемещения звеньев, имеющий место при ступенчатом задающем воздействии, может привести к повышенному износу механизмов устройства, а ошибки

позиционирования звеньев вызовут 04 06 нежелательные ударные эффекты

Рис. 7 Зависимости величины ошибки от взаимодействия с поверхностью трубы.

частоты гармонического задающего Введение интегральной ошибки,

воздействия для различных масс звеньев

определяемой как £ = -<p,)dt, позволило оценить качество регулирования

положением звеньев.

Установлено, что зависимость интегральной ошибки от частоты гармонического закона задающего воздействия носит линейный характер. Повышение частоты задающего воздействия приводит к увеличению ошибки позиционирования звеньев вследствие инерционных свойств системы. На графике (рис. 7) пунктиром отмечены режимы, при котором ошибка позиционирования превышает 50%.

При исследовании перемещения звеньев под действием крутящих моментов двух приводов были получены зависимости, графики которых показаны на рис.8.

П.рао 1,.Л 3

/р,.рао

fa. рсЮ С

1 ^tv f.11 ^ Iflfc -(. 3 : i 0 t,c -?

WP ц) W

ilhlb \ о hftL t.c i--r-

1,.А

U..B

<р4. рао фА. рад'с

Рис. 8 Графики зависимостей характеристик процесса движения от времени для 3 (слева) и 4 звена: 1 - угол поворота звена; 2 - задающее воздействие; 3 - угловая скорость перемещения звена; 4 - ток на якоре двигателя; 5 - напряжение питания

Как показали результаты численного моделирования при управляемом перемещении четвертого звена, третье звено также выводится из положения равновесия. Установленный эффект может привести к потере устойчивости всего механизма при перемещении по вертикальным или наклонным участкам. Предлагается использовать непрерывные законы изменения задающего воздействия при управлении положением звеньев.

В третьей главе рассмотрена конструкция и алгоритмы перемещения устройства на прямолинейных и криволинейных участках трубопровода. Далее была рассмотрена оригинальная конструкция опорного элемента, включающая нелинейно-упругий подвес, фрикционное покрытие и контактный датчик. Схема конструкции опорного элемента и расчетная схема робота, оснащенного опорным элементом, показаны на рис. 9 и 10.

Рис. 9 Схема конструкции Рис. 10 Расчетная схема упругого взаимодействия опорного элемента звеньев с поверхностью трубопровода

Устройство состоит из подвижной части с контактной поверхностью 1, которая установлена в основании опоры 2. Под действием силы реакции со стороны поверхности трубы 9 подвижная часть опорного элемента перемещается вдоль основания по направляющим 3, что приводит к деформации основной пружины 5. Для обеспечения исходного положения подвижной части опорного элемента пружина 5 находится в предварительно деформированном состоянии. Пружинный подвес подвижной части обеспечивает нелинейный закон изменения силы упругости. Конструкция дополнительно оснащена концевым выключателем 4.

Система уравнений, описывающих взаимодействие звеньев робота с поверхностью трубы, имеет вид

т/:

(рА ^ + + - т,131,<р3 со5(Фз - ф4) ■- -тлцлф3 бшСФз - Ф4) = = Мм - М5 + втСсц - ф4) + | сов(С+ф4) -

-^упр эту /-вт(у + (<р4 -Р))■■ /соз(ф4 -Р) + вт(у + (ф4 -Р))г| • 15ш(ф4 -Р); (7) ф3 (/^ + т/3)+ ^ т4/3/4ф4 соз(фз - Ф4) + ^ т4/3/4Ф4 5т(ф3 - ф4) = = М2з + /у4 вт(а5 - ф3) + т^Ксов^ + ф3) + т^ | соей + <Р3 )>

где

0, если <#>4;

С,(((»4 -р4°)/ + ЯСТ„), если(9° <срл «р?; (8)

',(((»4+ если <р\° < <р, «р:°;

с,((р4 -<р4°)/ + Яст,т)+с2((<р4 -О^+Сз((<?>; -«?;">)/), если ,р4"0 <<г>4. Численное решение системы для уравнений (7), с учетом системы (8) позволяет определить параметры опорного элемента для достижения необходимого усилия

поджатия звена к поверхности трубы, ограничения токов, возникающих в приводе, компенсации колебательных эффектов при перемещении звеньев.

В третьей главе также рассмотрены конструкции активных динамических опорных элементов, позволяющих зафиксировать устройство на вертикальных поверхностях, произведено математическое моделирование опорного элемента, оснащенного бурильным модулем.

В четвертой главе представлена конструкция экспериментального стенда, включающая макет мобильного робота, оснащенный системой датчиков и макет фрагмента трубопроводной системы (рис. 11).

Рис. 11 Внешний вид экспериментального стенда: а - макет шестнзвенного робота; б - стенд для исследования процесса фиксации

Данный стенд предназначен для экспериментального исследования процессов управляемого движения робота, настройки системы управления, подтверждения адекватности построенных математических моделей. Так, на лабораторном стенде (рис. 10, б) были проведены экспериментальные исследования процесса динамической фиксации робота. Показанный стенд включает пару звеньев, осуществляющих фиксацию; электропривод; замкнутую систему управления; измерительную систему, содержащую потенциометрические датчики угла поворота, а также датчики тока в обмотках двигателей. С целью проверки адекватности математических моделей были получены совмещенные графики зависимостей крутящего момента, развиваемого электроприводом, от величины предельной силы трения, для различных типов опорных поверхностей (рис. 12).

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 5) О.ОО 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

Рис. 12 Совмещенные графики зависимостей крутящего момента от предельной силы трения: I - экспериментальные данные, 2-данные, полученные при моделировании

Полученные результаты моделирования сопоставимы с результатами, полученными в ходе численного моделирования. Погрешность составила порядка 4-7% на линейном участке характеристики. В области параметров, отмеченной темным фоном, расхождение результатов более значительно. Это вызвано

нелинейным характером зависимости крутящего момента от тока в обмотках двигателя.

Также в главе представлены инструментальные средства проектирования, позволяющие определить необходимые параметры конструкции и системы управления движением робота. Внешний вид интерфейса ввода исходных данных и вывода результатов расчета программы показан на рисунке 13.

Входными данными для расчета могут быть: размеры трубопровода, коэффициент трения, размеры звеньев. При этом программа определяет необходимые параметры системы, такие как: требуемый крутящий момент двигателя, мощность двигателя, конструктивные параметры опорного элемента.

д I

1Н

Рис. 13 Внешний вид интерфейса программного комплекса для расчета параметров

шестизвенного робота

Кроме того, разработанные инструментальные средства проектирования позволяют на основе данных о геометрии трубопровода и свойствах поверхности трубы произвести подбор и предварительную настройку регулятора, что сокращает время и затраты на окончательную отладку программ системы автоматического управления робота.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ и научно-обоснована возможность применения многозвенных мобильных роботов для перемещения внутри трубопровода;

2. Разработаны математические модели движения плоского шестизвенного робота, оснащенного нелинейно-упругими опорными элементами, учитывающие силы сухого и вязкого трения в соединительных шарнирах устройвтва, силы трения с поверхностью трубопровода, процессы, протекающие в электроприводах ограниченной мощности.

3. Разработана методика численного решения системы дифференциальных уравнений, описывающей динамические эффекты взаимодействия внутритрубного робота с поверхностью трубопровода.

4. Разработаны конструктивные схемы активных опорных элементов и проведено математическое моделирование опорного элемента, оснащенного бурильным модулем;

5. Разработан программный комплекс, позволяющий определить конструктивные параметры устройства, параметры регулятора системы управления в зависимости от задаваемых исходных параметров трубопровода и свойств поверхности.

6. Выполнен анализ динамических эффектов, возникающих при движении устройства, установлены зависимости конструктивных параметров робота и опорных элементов от геометрических размеров и свойств трубопровода.

7. Разработаны конструкции и построены макеты шестизвенного робота и различных секций трубопровода, проведены натурные испытания, подтвердившие адекватность построенных математических моделей. Отклонение результатов моделирования от экспериментальных данных составило не более 7 %.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации в репетируемых научных журналах н изданиях

1. Яцун, С.Ф. Автоматизированный мобильный комплекс для диагностики трубопроводов переменного диаметра [Текст] / С.Ф. Яцун, A.B. Мальчиков // Автоматизация и современные технологии. - 2012. - №12. - С. 3-8.

2. Яцун, С.Ф. Динамические опорные элементы ползающих роботов для движения по наклонным поверхностям [Текст] / С.Ф. Яцун, A.B. Мальчиков, А.И. Жакин // Изв. Юго-Зап. гос. ун-та. - 2012. - №2, (41).ч.1- С.89-95.

3. Мальчиков, A.B. Исследование движения плоского шестизвенного внутритрубного мобильного робота [Текст] / A.B. Мальчиков, С.Ф. Яцун, С.Б. Рублев//Изв. Самар. науч. центра РАН. - 2012. - №4(5).- С.1263-1265.

Другие публнканнн

4. Гребенников, М.А. Трехзвенный ползающий робот [Текст] / М.А. Гребенников, A.B. Мальчиков, С.Ф. Яцун и др. // Мехатроника, робототехника: Современное состояние и тенденции развития: сб. науч. ст. Всерос. науч. школы для молодежи. - Курск, 2011. - С.55-61

5. Мальчиков, A.B., Адаптивный робот для перемещения по трубопроводам переменного диаметра [Текст] / A.B. Мальчиков // Мехатроника, робототехника: Современное состояние и тенденции развития: сб. науч. статей Всерос. науч. школы для молодежи. - Курск, 2011,- С.110-119

6. Мальчиков, A.B., Адаптивный мобильный робот для перемещения внутри трубопроводов [Текст] / A.B. Мальчиков, С.Ф. Яцун // Современная мехатроника: сб. науч. тр. Всерос. научной школы. - Орехово-Зуево, 2011. - С. 122-125

7. Мальчиков, A.B. Математическое моделирование адаптивного внутритрубного робота [Текст] / A.B. Мальчиков // XXIII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2011). - М„ 2011. С. 289.

8. Яцун, С.Ф. Разработка математической модели опорного элемента ползающего робота, оснащенного бурильным модулем [Текст] / С.Ф. Яцун, A.B. Мальчиков // Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. научн ст -Курск, 2012. -С.116-123.

9. Мальчиков, A.B. Адаптивный мобильный робот для диагностики трубопроводов [Текст] / A.B. Мальчиков // Молодежь и XXI век - 2012: сб. тр. Междунар. молодежной науч. конф. - Курск, 2012. - С. 225-227.

10. Мальчиков, A.B. Экспериментальные исследования энергопотребления внутритрубного робота [Текст] / A.B. Мальчиков, С.Ф. Яцун // Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития: сб. науч. тр. Междунар. молодежной конф. - Орехово-Зуево, 2012. - С. 109-114.

11. Jutsun, S.F. Control system of the independent undersea robot [Текст] / S.F. Jutsun, P.A. Bezmen, A.V. Malchikov, et dl. // Science and Education: materials of the II Intern. Research and Practice Conf. - Munich, Germany, 2012. - P.P. 165-170.

12. Яцун, С.Ф. Математическое моделирование движения плоского шестизвенного внутритрубного робота [Текст] / С.Ф. Яцун, A.B. Мальчиков // Актуальные вопросы технических наук (II): материалы Междунар. заоч. науч. конф. -Пермь, 2013.-С. 58-62.

13. Мальчиков, A.B. Экспериментальные исследования процесса фиксации внутритрубного мобильного робота [Текст] / A.B. Мальчиков, С.Ф. Яцун // Актуальные вопросы науки: материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. - М, 2013. -С. 29-33.

14. Пат. 114022 Российская Федерация, МПК7 В 62 D 57/00. Трехзвенный внутритрубный робот для перемещения по трубопроводам / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Мальчиков A.B.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». № 114022; заявл. 13.10.2011; опубл. 10.03.2012, Бюл.№ 7. 5с.

15. Пат. 116454 Российская Федерация, МПК7 В 62 D 57/00. Адаптивный виброробот для перемещения по трубопроводам / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Мальчиков A.B., Аркелян Виген (Фр); заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». № 116454; заявл. 13.10.2011; опубл. 27.05.2012, Бюл.№ 15. 5с.

16. Пат. 125988 Российская Федерация, МПК7 В 62 D 57/00. Фиксирующее устройство робота / Яцун С.Ф., Мальчиков A.B., Мищенко В.Я; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». № 125988; заявл. 23.10.2012; опубл. 20.03.2013, Бюл.№ 8. 4с.

Подписано в печать 20.05.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94. Отпечатано в ЮЗГУ

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Мальчиков, Андрей Васильевич, Курск

Юго-Западный государственный университет

На правах рукописи

04201360406

МАЛЬЧИКОВ АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ДИНАМИКА УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ ШЕСТИЗВЕННОГО МОБИЛЬНОГО ВНУТРИТРУБНОГО РОБОТА

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Яцун Сергей Федорович

Курск-2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................5

Глава 1. Анализ состояния проблемы.............................................................11

1.1 Классификация устройств для перемещения внутри трубопроводов! 1

1.2 Обзор существующих внутритрубных роботов..................................13

1.3 Многозвенные внутритрубные роботы................................................16

1.4 Анализ и классификация фиксирующих устройств роботов для перемещения по вертикальным поверхностям..................................................28

1.5 Цель и задачи диссертации....................................................................33

Глава 2. Динамика плоского шестизвенного внутритрубного робота.....34

2.1 Описание среды функционирования шестизвенного робота.............34

2.1.1 Анализ отдельных элементов трубопровода..........................35

2.1.2 Математическая модель трубопровода...................................39

2.1.3 Обоснование выбора принципа движения устройства..........45

2.2 Описание конструкции и принципа движения устройства................48

2.3 Математическая модель электропривода шестизвенного робота......51

2.4 Анализ процесса динамической фиксации робота внутри трубопровода.........................................................................................................54

2.4.1 Математическая модель устройства в режиме динамической фиксации.......................................................................................................54

2.4.2 Результаты численного моделирования процесса динамической фиксации...............................................................................61

2.5 Анализ процесса перемещения звеньев внутри трубопровода..........67

2.5.1 Математическая модель движения робота при воздействии крутящих моментов между средними звеньями робота...........................67

2.5.2 Результаты численного моделирования..................................76

2.6 Выводы по 2 главе...................................................................................88

Глава 3. Анализ взаимодействия шестизвенного внутритрубного робота с внешней средой.................................................................................................90

3.1 Разработка алгоритмов движения.........................................................90

3.1.1 Алгоритм движения на прямолинейном участке...................90

3.1.2 Алгоритм движения устройства на криволинейном участке 91

3.1.3 Перемещение внутри поворота................................................94

3.1.4 Алгоритмы движения устройства внутри других участков.. 96

3.1.5 Оценка быстродействия шестизвенного робота при

перемещении внутри трубопроводов..........................................................97

3.2 Модель упругого взаимодействия опорной поверхности робота с поверхностью трубопровода................................................................................99

3.2.1 Математическая модель упругого взаимодействия...............99

3.2.2 Результаты математического моделирования динамики

упругого взаимодействия робота с поверхностью трубопровода.........103

3.2.3 Результаты математического моделирования взаимодействия

с учетом концевого выключателя опорного элемента............................108

3.2.4 Двухконтактный динамический опорный элемент..............111

3.3 Активные опорные элементы ползающих роботов...........................112

3.4 Математическая модель динамического опорного элемента с бурильным модулем............................................................................................115

3.5 Результаты моделирования опорного элемента с бурильным модулем ...............................................................................................................................120

3.6 Выводы по 3 главе.................................................................................122

Глава 4. Изучение управляемого движения шестизвенного робота.......124

4.1 Проектирование макета устройства....................................................124

4.2 Синтез многоконтурной системы управления электроприводами устройства............................................................................................................128

4.2.1 Система управления с ООС по усилию поджатая...............128

4.2.2 Следящая система управления по скорости..........................130

4.2.3 Комбинированная система......................................................131

4.3 Экспериментальное исследование шестизвенного робота...............132

4.3.1 Экспериментальные исследования процесса динамической фиксации......................................................................................................132

4.3.2 Экспериментальные исследования процесса перемещения звеньев внутритрубного робота.................................................................139

4.4 Инструментальные средства проектирования внутритрубных шестизвенных роботов.......................................................................................141

4.5 Выводы по 4 главе.................................................................................150

Заключение.........................................................................................................151

Список использованной литературы............................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения в учебный процесс кафедры

теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ..............................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт внедрения в производственный процесс ФГУП

«Курский научно-исследовательский институт» МО РФ...............................167

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Свидетельства на полезные модели..............................168

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Листинг фрагмента программы расчета.......................177

Введение

Актуальность темы. Трубопроводы являются основными элементами систем транспортировки газообразных и жидких веществ, а также твёрдых веществ в виде растворов на большие расстояния. Подобные системы, как правило, устанавливаются под землей или внутри зданий и сооружений, что в свою очередь значительно усложняет проведение ремонтных и диагностических работ на наружной поверхности трубопроводов. Помимо этого, обследование внутренней поверхности позволяет не только обнаружить места коррозии, микротрещины, разрывы и т. п., но и исследовать загрязнение трубопроводов, отложение на внутренних поверхностях трубопровода. Мониторинг внутренней поверхности и своевременное принятие мер по проведению ремонтных работ позволяет сократить расходы на устранение последствий аварий, сокращает расходы по замене отдельных поврежденных секций. Использование для подобных задач мобильных роботов, позволяет исключить людской труд в сложно-доступных и опасных местах, повышает эффективность проводимых работ.

Таким образом, разработка и изучение мобильных роботов, позволяющих осуществлять мониторинг состояния внутренней поверхности трубопровода, является актуальной задачей.

В настоящее время существует ряд различных подходов к перемещению внутри трубопроводов. Главным недостатком традиционных колесных и гусеничных систем является низкая проходимость в условиях загрязненности трубы.

Одним из перспективных методов движения мобильных роботов, развивающимся в последние годы в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Юго-Западном государственном университете (Курск), МГТУ им. Баумана, ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург), Техническом университете Ильменау (Германия) и других исследовательских центрах, является метод, основанный на применении змееподобного и червеподобного

принципов движения. В основе этого способа лежит многозвенная структура робота, а принцип движения основан на периодическом изменении формы тела устройства. Многозвенные конструкции исследовались в работах Н.И. Левитского, В.А. Глазунова, И.И. Артоболевского и др. Возможность перемещения многозвенных конструкций внутри ограниченного пространства анализировалась в работах Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотника, Т.Ю. Фигуриной, С.Ф. Яцуна, М. Dovica, G. Rizzoto, S. Hirose, Y. Shan и др.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения многозвенных механизмов в конструкциях мобильных внутритрубных роботов.

)

4. Разработка схем активных опорных элементов ползающих роботов.

5. Разработка инструментальных средств проектирования для определения конструктивных -параметров и настройки системы автоматического управления приводов робота в зависимости от свойств и геометрии трубопровода.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Теоретически обоснованный принцип перемещения мобильных внутритрубных многозвенных роботов, оснащенных нелинейно-упругими

опорными элементами, заключающийся в периодической управляемой фиксации корпуса устройства под действием крутящих моментов, развиваемых электроприводами ограниченной мощности.

Результаты работы использованы при выполнении государственных контрактов в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракты П 1576, П0971, а также соглашение №14.132.21.1718 от 01.10.12, по теме «Разработка устройства для перемещения внутри трубопроводов переменного диаметра»). Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (г. Курск), и в производственный процесс ФГУП «Курский научно-исследовательский институт» МО РФ.

Апробация диссертации: Основные положения диссертации доложены и одобрены на II Международной научно-практической конференции «Science and Education» (Munich, Germany, 2012), XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС - 2011»: (Москва, 2011), Международной молодежной конференции «Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития» (Орехово-Зуево, 2012), Международной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук (II)» (Пермь, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2012), VIII международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (Москва, 2013), X научно-технической конференции «Вибрация-2012. Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск, 2012), совместном заседании кафедр «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ (Курск) и «Мехатроника и международный инжиниринг» Госуниверситета - УНПК (Орел, 2013), Международной выставке промышленного оборудования, технологий и материалов «Hannover Messe 2013» (Ганновер, Германия), семинаре Института машиноведения РАН им. A.A. Благонравова (Москва, 2013), семинарах кафедры теоретической механики и мехатроники ЮЗГУ (Курск, 2011-2013 г).

Глава 1. Анализ состояния проблемы

1.1 Классификация устройств для перемещения внутри трубопроводов

Использование робототехнических устройств позволяет повысить эффективность выполнения многих задач. Роботы сегодня нашли применение как в промышленности, военной индустрии, так и в сфере обслуживания. Робототехнические комплексы, способные перемещаться внутри замкнутого пространства трубопроводов, разломов, технологических полостей, могут выполнять ряд специфических задач: диагностика состояния трубопровода, нахождение дефектов внутренней поверхности, поисковые работы и т.д., и задачи, основанные на взаимодействии с окружающей средой: очистка внутренней поверхности, устранение повреждений, и т.п.

Для проведения анализа существующих конструкций роботов и принципов движения рассмотрим различные классификации внутритрубных мобильных роботов (рис. 1.1).

Внутритрубные роботы

Принцип движения

Буксируемые

Перемещаемые транспортируемой субстанцией

Самодвижущиеся

Смешенного типа

Тип двигателя

- Электрический

- Пневматичекий

- Гидравлические

Тип системы управления

Программное управление

- Интелеллектуал.

I- Биотехническое

- Электромагнитный

Смешанный

Рис. 1.1 Классификация роботов для перемещения внутри труб

Согласно выбранному принципу движения роботов можно разделить на: роботов, движение которых осуществляется посредством троса (нити) или цепи; самодвижущихся роботов; роботов, передвигающихся вместе с транспортируемым веществом; роботов комбинированного типа. Самодвижущиеся роботы классифицируются на пошаговые (step by step) системы и системы непрерывного действия.

Идея любого мобильного робота, в том числе и робота для перемещения в трубе, в первую очередь определяется типом и конструкцией движителя. Выбор типа движителя и его размеров является очень сложной задачей, зависимой от множества факторов. Также сложен выбор самого принципа движения и взаимодействия с окружающей средой. Как правило, выбор способа перемещения робота и тип его движителей опре